넓은 밴드갭(Wide bandgap, WBG) 전력 반도체는 기존의 실리콘 기반 소자보다 우수하다는 점에서 학계와 산업 양쪽에서 상당한 주목을 받아왔다. WBG 전력 반도체 패키지에서 다이 어태치(die attach) 재료는 소자의 성능과 신뢰성을 극대화하는 데 핵심적인 역할을 한다. WBG 패키지의 다이 어태치 계면은 우수한 열역학-기계적(thermomechanical) 신뢰성을 유지하면서도, 고온 운전 조건(200–300 °C), 고속 스위칭 주파수, 높은 전력 밀도를 견뎌야 한다. 전통적인 다이 어태치 재료는 WBG 소자에 적용할 때 상당한 한계를 보이며, 이로 인해 지난 10년 동안 나노소재 기반 대안에 대한 집중적인 연구가 이루어져 왔다. 본 총설은 현재의 최첨단 나노기반 다이 어태치 기술을 요약한다. 구체적으로는 나노복합(nanocomposite) 솔더, 나노 소결(nano-sintering) 접근법, 그리고 WBG 전력 반도체 패키지를 위해 특별히 설계된 새로운 나노소재 제형을 다룬다. 또한 나노소재 다이 어태치 솔루션의 성능을 뒷받침하는 근본 메커니즘과 WBG 소자의 열 관리(thermal management) 과제를 해결할 수 있는 능력을 분석한다. 더 나아가 열적 사이클링 성능, 전단 강도(shear strength) 안정성, 미세조직(microstructural) 변화의 진화를 평가함으로써, 극한 운전 조건에서의 이들 재료의 신뢰성도 살펴본다.

(즉, 0.8, 0.6, 0.5, 0.3 및 0)은 이러한 이종접합에서 Te 도입이 광전변환 성능에 미치는 영향을 탐색할 수 있게 해주었다. 그 결과, Te 농도를 증가시킴에 따라 전력변환효율이 약 6자릿수(6 orders of magnitude) 향상되었으며, 특히 ∼6.4 A/W에 이르는 높은 광응답도(photoresponsivity)가 달성되었다. 이러한 결과는 2D TMDs 기반 이종접합에서 초박막 수준의 태양에너지 변환을 향상시킬 수 있는 가능성을 강조한다.

알베도 환경에서 양면(양면) 발전 가능성이 매력적임에도 불구하고, 태양전지(BS-CISe SCs)에 관한 연구는 지속적으로 요구되고 있다. 공정이 간소화된 단일 단계 동시 증착(single-stage co-evaporation) 방식으로 각각 300 nm 및 800 nm 두께의 흡수층을 갖도록 최적화한 BS-CISe SCs는 각각 전력변환효율(PCE) 6.32%와 10.6%를 나타낸다. 알베도 환경에서 양면 총 2.0 sun 조사를 가정하면, 이들의 양면 발전 밀도(bifacial power generation densities, BPGD)는 각각 9.41%와 13.9%로 증가한다. BPGD를 향상시키기 위해 4단자 양면 반투명 탄뎀 태양전지(4T-BST SCs)를 제작하였으며, 300 nm 및 800 nm 두께의 흡수층을 갖는 BS-CISe 하부 셀 위에 BS-페로브스카이트(PVK) 상부 셀을 기계적으로 적층하여 BPGD를 증대시켰다. 4T-BST SC에서 300 nm 및 800 nm 두께의 BS-CISe SC를 기반으로 했을 때, 상부 및 하부 셀의 최적 PCE를 합산한 값은 각각 18.8%와 21.1%이다. 그러나 양면 총 2 sun 조명 하에서의 실제 BPGD 값은 각각 23.4%와 24.4%로, 이는 흥미로운 결과이다. 이는 BS-CISe 하부 셀의 두께가 후면으로부터 BS-PVK 상부 셀에 전달되는 조사량을 좌우하여, 그 결과 상부 셀의 전류 밀도와 BPGD가 증가하기 때문이다.

본 연구에서는 땜납 접합부의 신뢰성에 대한 도펀트의 영향을 조사하고자, 땜납 조성에 따른 땜납 접합부의 기계적 거동을 검토하였다. 표준 Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305) 땜납과 비스무트(Bi), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd)을 포함한 SAC 합금(SAC-BNP)을 사용하였다. 크리프 거동을 분석하기 위해 벌크(bulk) 타입 땜납 시편을 제작하고, 세 가지 온도(25, 75, 125 °C)와 세 가지 응력 수준(5, 10, 15 MPa)에서 크리프 시험을 수행하였다. 또한 열 노화 동안 두 땜납 타입의 PCB 상에서 금속간화합물(IMCs) 성장 및 전단 강도를 조사하였다. 아울러 열충격 시험(0°C부터 125°C까지)을 통해 열-기계 피로 신뢰성을 볼 그리드 어레이(BGA) 어셈블리에서 평가하고 비교하였다. 그 결과, SAC-BNP는 SAC305에 비해 우수한 크리프 저항성, IMC 성장 억제, 그리고 전단 강도는 약 40% 더 높은 것으로 나타났다. 열 사이클링에서는 SAC-BNP가 약 65.8% 더 긴 피로 수명을 보였으며, 파손 전 2306 사이클을 견딘 반면 SAC305는 1390 사이클이었다. 이러한 결과는 SAC 합금에 Bi, Ni 및 Pd를 첨가하는 것이 열적 및 기계적 스트레스 조건에서 땜납 접합부의 신뢰성을 유의하게 향상시킨다는 것을 시사한다.

BiCuSeO 옥시칼코제나이드는 유망한 p형 열전(TE) 소재이지만, TE 효율은 본질적으로 매우 낮은 캐리어 농도(∼ 1018 cm-3)에 의해 제한된다. 본 연구에서는 체계적인 Cd 도핑이 BiCuSeO의 TE 성능 발현을 유도함을 입증하였다. Bi1-xCdxCuSeO (x = 0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08) 다결정 합금 계열에서 Bi3+를 Cd2+로 치환하면, 캐리어 농도가 예측 가능하게 거의 선형으로 증가하여 x = 0.08에서 3.19 × 1020 cm-3에 도달하며, 도핑 효율은 도펀트당 0.27–0.41 범위였다. 이러한 영향은 초기 도핑(x = 0.02)에서 특히 극적이었는데, 원시(pristine) 시료의 극저 캐리어 농도 2.82 × 1018에서 캐리어 농도를 1.08 × 1020 cm-3까지 끌어올렸다. 이와 같은 상당한 증가는 높은 유효 질량과 전력 인자(power factor)를 성공적으로 활성화하였다. 볼츠만 수송(Boltzmann transport) 계산은 전기 수송 특성이 고 캐리어 농도 영역에서 급격히 최적화됨을 확인해준다. 격자 열전도도는 x = 0에서 1.47 W/mK에서 x = 0.02일 때 300 K에서 1.14 W/mK로 감소하였고, 그 감소는 고도핑 수준에서 점진적으로 더 뚜렷해졌다. 그 결과 열전 성능 지표 zT는 70% 유의하게 향상되어 650 K에서 x = 0.02일 때 0.29에 도달하였다. 최적 TE 성능은 x ≥ 0.04에서 달성되었는데, zT 값 0.38–0.43이 얻어져 원시 시료 대비 최대 150%까지 향상된 것으로 나타났다. 본 연구는 본질적 캐리어 농도가 낮다는 이유로 종종 배제되던 화합물의 TE 성능을 활성화하기 위한 손쉬운 도핑 전략을 보여주었다.