계명대학교 김익현 교수 연구팀의 논문이 영국왕립화학회에서 발간하는 CrystEngComm 학술지의 표지 논문 (논문 제목: Acoustic shock wave-induced dynamic recrystallization facilitating reconstructable phase transition from zinc blende to rocksalt in cadmium telluride)으로 선정되었다. 이번 연구는 Cadmium Telluride (CdTe)의 결정 구조가 기존의 zinc blende(아연 블렌드) 구조에서 rocksalt(암염형) 구조로 전이된 후 다시 원래 구조로 복귀하는 ‘재구성 가능한 가역적 상전이(reconstructable phase transition)’ 현상을 정밀하게 입증한 결과이다.

김 교수팀은 0.59 MPa의 압력과 520 K의 온도, 마하수 1.5 조건에서 CdTe 샘플에 대해 100회부터 400회까지 충격파 유동을 단계적으로 노출시켰다. 그 결과, 300회 충격에서는 원자 배열이 변화하면서 rocksalt 상으로 전이되었고, 400회 충격에서는 원래의 zinc blende 구조로 복원되었다. 이러한 구조 변화는 단순한 외형이 아닌 결정 구조 수준의 전환과 복원으로, 기존 고압 실험에서 보고된 일방향 상전이와는 차별화되는 결과다. 

광학적 특성 또한 이에 따라 변화했다. Cadmium Telluride (CdTe)의 밴드갭은 충격파에 의해 3.31 eV에서 3.16 eV로 감소한 뒤, 다시 3.30 eV로 회복되었으며, 광발광(PL) 피크 또한 가역적인  파장 이동 현상을 보였다. 형태 분석에서도 눈에 띄는 결과가 도출되었다. 충격파 300회에서는 층상 구조가 붕괴되며 재결정화가 유도되어 표면 형상이 불규칙하게 변화했으나, 400회 충격 이후에는 다시 원래의 균일한 층상 구조로 복원되었다. 이는 충격파 유도 동적 재결정화에 따른 현상으로, 구조적 완전성을 유지하면서 물성을 제어할 수 있는 새로운 공정 기술의 가능성을 제시한다.

김익현 교수는 “이번 연구는 기존 반도체 재료가 외부 충격에도 불구하고, 구조적 손상 없이 기능적으로 복원될 수 있다는 가능성을 제시한 데 의의가 있다”며 “향후 고온·고압 환경에서도 안정성을 유지해야 하는 차세대 광전자 소자, 방사선 검출기, 에너지 변환 장치 등에 폭넓게 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 Sacred Heart College 대학의 충격파 실험실 소속의 F. Irine Maria Bincy가 1저자, 계명대학교 충격파 및 기체역학 실험실의 마틴 브리또 교수와 김익현 교수가 공동교신저자로 참여해 국제 공동연구로 수행됐으며, 한국연구재단의 해외우수과학자유치사업(Brain Pool Fellowship)과 우수신진연구사업의 지원을 통해 수행되었다.

관련논문 링크: https://doi.org/10.1039/D5CE00466G

관련기사 링크: https://www.kbsm.net/news/view.php?idx=486931