포스텍, 실리콘 기반 친환경 열전 반도체 소재 개발

반도체 공정 적용해 대량 생산 길 열어

열과 전기를 상호변환하는 열전기술은 폐열 등 버려지는 에너지를 전기로 바꾸는 에너지 하베스팅의 기반 기술 중 하나다. 

포스텍 연구진이 독성이 강하고 희소한 금속 대신 친환경 물질인 실리콘을 열전 반도체 소재로 활용하는 기술을 개발했다. 

23일 포스텍에 따르면, 이 학교 IT융합공학과·전자전기공학과 백창기 교수, IT융합공학과·융합대학원 박주홍 교수, 전기전자공학과·반도체공학과 공병돈 교수 공동 연구팀은 기존 반도체 공정을 이용해 친환경 물질 기반의 고성능 열전 반도체 소재를 만들었다. 

현재 열전 반도체 소재로 많이 쓰이는 비스무스(Bi)나 텔루륨(Te), 납(Pb) 등은 매장량이 적고 독성이 있다. 저렴하고 친환경적인 실리콘 기반 나노와이어가 대안으로 떠오르고 있으나, 열전도도가 높아 열 손실이 크기 떄문에 열전 성능이 떨어진다는 문제가 있다.

포스텍 연구진이 개발한 친환경 열전소자에 대한 설명 (자료=포스텍)

연구팀은 반도체 내 포논(phonon)의 움직임에 주목했다. 열은 포논이라는 준입자 상태로 이동하며, 열 손실을 줄이려면 포논의 이동을 막아야 한다. 연구팀은 반도체 물질을 깎는 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정으로 나노선 표면에 물결 무늬 구조를 만들었다. 이 구조는 마치 거울처럼 포논을 튕겨내며 다양한 산란을 유도해 포논의 움직임을 방해한다.

이 공정으로 표면이 가공된 실리콘 나노와이어는 기존 벌크 실리콘보다 열전도도가 약 30분의 1로 줄었으며, 열전 성능은 약 300배 향상됐다. 반도체 공정을 적용, 실리콘의 한계를 극복하고 열전 반도체 대량생산과 상용화 가능성을 제시했다. 

백창기 교수는 "이번 연구는 글로벌 보일링(Global boiling) 시대를 대비하는 열전 반도체 상용화에 주춧돌을 놓아 에너지 절감에 기여할 것"이라며 "다양한 제조 산업 현장에서 소자 성능을 검증하고, 기술 상용화를 추진하겠다"라고 밝혔다. 

이 연구는 경상북도와 포항시가 지원하는 '푸드테크 R&D 센터 개발 및 지원 프로그램'의 일환으로 수행됐으며, 최근 학술지 '나노 에너지(Nano Energy)'에 게재됐다. 논문 제목은 Enhanced thermoelectric figure of merit in highly-doped silicon nanowires via a corrugated surface modulation (물결모양의 표면 변조 기반 고성능 열전 성능 지수를 갖는 고농도 도핑 실리콘 나노 와이어)이다.