고성능 2차원 열전박막을 분리해 평면과 곡면에 붙인 모습. 부경대 제공.차세대 에너지 변환소자로 주목받고 있는 고성능 2차원 열전박막을 반도체 기판(웨이퍼)은 물론, 플라스틱이나 유리에 전사(transfer)할 수 있는 기술이 개발됐다.
황재열 국립부경대학교 교수(물리학과, 사진)는 성균관대학교 김성웅 교수(에너지과학과)와 함께 고성능 2차원 열전박막을 기판에서 분리해 응용할 수 있는 기술을 개발해 과학기술 분야 세계적 학술지 <ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF 23.101)>에 최근 발표했다.
열전박막이란 열을 전기에너지로 바꿔주는 열전소재로 만든 박막이다. 웨어러블기기, 사물인터넷, 스마트센서 등에 적용할 수 있는 차세대 소자로, 최근 2차원 구조 박막에서 우수한 물성들이 발견돼 관련 연구가 증가하고 있다.황 교수 연구팀은 에피탁시(epitaxy) 공정(기판 위에 고순도의 단결정 박막을 성장시키는 공정)으로 박막을 성장(형성)시킨 뒤, 이 박막을 기판에서 손상 없이 분리해 평면은 물론 곡면에 붙여 우수한 열전에너지 변환효율을 달성할 수 있는 기술을 개발했다.
연구팀은 텔루륨 단원자층을 사파이어 기판 표면에 형성한 후 2차원 열전박막(BST)으로 성장시켰다. 이때 원자 간의 상호작용인 반데르발스 힘을 이용한 에피탁시 공정으로 기판과 박막이 약하게 결합하도록 하고, 용매를 이용해 이 결합을 선택적으로 제거해 결정구조를 유지하면서도 물성손실을 최소화해 분리하는 데 성공했다.
황 교수는 “이번 연구로 지금까지 제한적인 기판에서만 성장시킬 수 있었던 고성능 2차원 열전박막을 기판은 물론, 플라스틱이나 유리 등 다양한 형태의 물질에 전사해 활용할 수 있게 돼 신개념의 소자 개발 및 2차원 박막의 새로운 응용 가능성을 제시했다는 점에서 의의가 있다”고 말했다.그는 “이번 연구는 반도체와 전자 분야에 널리 사용되는 사파이어 기판의 표면물성에 기반을 두고 있어 다양한 응용기술을 적용할 수 있고, 웨어러블 디바이스 등에 활용할 수 있는 고성능 박막형 에너지소자 등을 개발할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.