계명대학교 기계공학과 김익현 교수 연구팀이 충격파 유동을 활용해 카드뮴 텔루라이드(CdTe)의 결정 구조가 아연 블렌드(zinc blende) 구조에서 암염형(rocksalt) 구조로 전이됐다가 다시 원래 구조로 복귀하는 '재구성 가능한 가역적 상전이' 현상을 정밀하게 입증했다고 21일 밝혔다.

이번 연구 성과는 영국왕립화학회(RSC)에서 발행하는 무기·결정학 분야 권위 있는 국제학술지 'CrystEngComm'(CRYSTALLOGRAPHY 분야 2023 JCR 기준 Q1)에 'Acoustic shock wave-induced dynamic recrystallization facilitating reconstructable phase transition from zinc blende to rocksalt in cadmium telluride(충격파에 의해 유도된 동적 재결정화를 통한 카드뮴 텔루라이드의 아연 블렌드에서 암염형 구조로의 재구성형 상전이 분석)'이라는 제목으로 게재됐다(DOI: 10.1039/D5CE00466G).

CdTe는 넓은 직접 밴드갭, 뛰어난 광흡수 효율, 높은 방사선 저항성을 갖춘 차세대 에너지 및 전자기기 핵심 소재다. 박막 태양전지, 방사선 검출기, 고속 광전자 소자 등에 활용 가능성이 커, 극한 환경에서도 안정적인 물성과 구조를 유지할 수 있는 고기능성 반도체로 주목받아 왔다.

그러나 기존에는 구조 제어나 물성 조절을 위해 고가의 장비와 복잡한 공정, 장시간의 열처리 과정이 필요하다는 한계가 있었다. 이번 연구에서 적용된 충격파 유동 방식은 비교적 단순한 장치와 짧은 처리 시간만으로 원자 배열 수준의 구조 변화와 물성 조절이 가능해, 기존 방식을 대체할 경제적이고 효율적인 방법으로 평가된다.

연구팀은 520K 온도, 마하수 1.5 조건에서 CdTe에 충격파 유동을 반복 조사한 결과, 약 300회 충격에서 아연 블렌드 구조가 암염형으로 전이되고, 400회 충격 이후 다시 원래 구조로 복원되는 현상을 확인했다. 이는 고압 조건에서 나타나는 단방향적 상전이와 달리 충격파 기반 동적 재결정화 메커니즘을 통한 가역적 전환·복원의 새로운 사례다.

또한 밴드갭은 3.31eV에서 3.16eV로 줄었다가 3.30eV로 회복됐으며, 광발광(PL) 피크 역시 가역적 파장 이동을 보였다. 표면 구조 분석에서도 300회 충격 후 불균일했던 표면이 400회 충격 이후 균일한 층상 구조로 복원되는 등 구조적 안정성이 입증됐다.

김익현 교수는 "이번 연구 성과는 극한 환경에서도 구조 안정성과 기능 복원력이 필요한 차세대 광전자 소자, 방사선 검출기, 에너지 변환 장치 등 다양한 분야 응용 가능성을 제시했다는 점에서 의의가 크다"고 말했다.

이번 연구는 인도 세크리드하트대학 F. Irine Maria Bincy 연구원이 제1저자로, 계명대 충격파 및 기체역학 실험실의 마틴 브리또 교수와 김익현 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 한국연구재단 해외우수과학자유치사업(Brain Pool Fellowship)과 우수신진연구사업 지원을 받아 수행됐다.