계명대, 충격파 유동을 이용한 카드뮴 텔루라이드 가역적 상전이 입증…광전자 소자·방사선 검출기 등에 응용 기대

작성일 08-20

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 계명대학교(총장 신일희)는 김익현 기계공학과 교수 연구팀이 충격파 유동을 이용한 카드뮴 텔루라이드(CdTe)의 가역적 상전이 현상을 입증했다고 20일 밝혔다.
 이번 연구가 상용화되면 차세대 광전자 소자, 방사선 검출기, 에너지 변환 장치 등 다양한 분야로 응용 가능해진다. 연구내용은 최근 영국왕립화학회(RSC)가 발행하는 무기·결정학 분야 권위있는 국제학술지 'CrystEngComm'에 표지논문으로 실렸다.
 연구팀은 충격파 유동을 이용해 카드뮴 텔루라이드(CdTe)의 결정 구조가 기존 아연 블렌드(zinc blende) 구조에서 암연형(Rocksalt) 구조로 전이된 후 다시 원래 구조로 복귀하는 '재구성 가능한 가역적 상전이' 현상을 정밀하게 입증했다. 
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 <img alt="김익현 계명대 교수 연구팀의 연구성과가 실린 영국왕립화학회 학술지 'CrystEngComm' 표지 논문 이미지" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202508/20/etimesi/20250820163442604shgm.jpg" data-org-width="535" dmcf-mid="zZkKQmdzra" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202508/20/etimesi/20250820163442604shgm.jpg" width="658">
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 김익현 계명대 교수 연구팀의 연구성과가 실린 영국왕립화학회 학술지 'CrystEngComm' 표지 논문 이미지
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 카드뮴 텔루라이드는 넓은 직접 밴드갭(Direct bandgap), 우수한 광흡수 효율, 고방사선 저항성 등 특성이 있다. 주로 박막 태양전지, 고감도 방사선 검출기, 고속 광전자 소자 등 차세대 에너지 및 전자기기 핵심 소재로 주목받고 있다. 특히 극한 환경에서도 안정적인 물성과 구조를 유지해 고기능성 반도체로 각광받아 왔다.
 하지만 카드뮴 텔루라이드는 뛰어난 물성에도 불구하고, 결정 구조나 전자적 특성을 정밀하게 제어하기 위해 고가의 장비, 복잡한 공정, 장시간의 열처리 조건이 요구된다. 연구팀은 이번 연구에서 충격파 유동 실험을 했다.
 이번 실험은 비교적 단순한 실험 설정과 짧은 처리 시간만으로도 원자 배열 수준의 구조 변화와 물성 조절이 가능하다는 점에서 기존 방식에 비해 훨씬 경제적이고 효율적인 대안이 될 수 있음을 제시했다.
 이번 연구에서 연구팀은 520K 온도, 마하수 1.5 조건에서 카드뮴 텔루라이드 소재에 충격파 유동을 반복 조사한 결과, 약 300회 충격에서 아연 블렌드 구조가 암염형 구조로 전이됐으며, 400회 충격 이후 다시 원래 구조로 복원되는 현상을 확인했다. 이는 기존 고압 조건에서 나타나던 단방향적 상전이와 달리, 충격파 기반 동적 재결정화 메커니즘을 통해 원자 구조가 전환·복원되는 새로운 사례다. 
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 <img alt="계명대 성서캠퍼스 전경" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202508/20/etimesi/20250820163443932mnoy.jpg" data-org-width="700" dmcf-mid="qIm4dho9mg" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202508/20/etimesi/20250820163443932mnoy.jpg" width="658">
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 계명대 성서캠퍼스 전경
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 충격파 유동은 카드뮴 텔루라이드의 구조적 물성에도 직접적인 영향을 미쳤다. 밴드갭은 3.31eV에서 3.16eV로 감소한 뒤 3.30eV로 회복됐으며, 광발광(PL) 피크 역시 가역적인 파장 이동을 보였다. 형태 분석에서도 300회 충격 후 불균일해진 표면이 400회 충격 이후 균일한 층상 구조로 복원되며 구조적 안정성이 입증됐다.
 김익현 교수는 “이번 연구 성과는 극한 환경에서도 구조적 안정성과 기능적 복원력이 요구되는 차세대 광전자 소자, 방사선 검출기, 에너지 변환 장치 등 다양한 분야로의 응용 가능성을 제시했다는 점에서 의의가 크다”고 밝혔다.
 한편, 이번 연구는 인도 Sacred Heart 대학 충격파 실험실의 아이린 마리아 빈샤 연구원이 제1저자로, 계명대 충격파 및 기체역학 실험실의 마틴 브리또 교수와 김익현 교수가 공동 교신저자로 참여한 국제 공동연구로 수행됐다. 또 한국연구재단의 해외우수과학자유치사업(Brain Pool Fellowship)과 우수신진연구사업 지원을 받아 진행됐다.
 대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
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