200~230nm 고효율 발광 구현 길 열려
반데르발스 구조 활용 차세대 광원 기술
모아레 양자우물로 발광 성능 한계 돌파
심자외선 LED 모식도. [사진=포항공대]
[이뉴스투데이 김진영 기자] 기존 반도체 기술로 구현이 어려웠던 심자외선 영역에서 고효율 발광이 가능한 신소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 심자외선 LED 상용화의 핵심 난제로 꼽히던 효율 문제를 크게 개선한 성과로, 방역·의료 등 응용 확대 가능성이 제기된다.
과학기술정보통신부는 김종환 포항공과대학교 교수와 조문호 기초과학연구원 단장 연구팀이 반데르발스 반도체 기반의 새로운 양자우물 구조를 구현해 기존 소재 대비 심자외선 방출 효율을 20배 향상시키는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스’에 게재됐다.
이번 연구의 핵심은 질화붕소(BN) 층을 비틀어 쌓는 방식으로 ‘모아레 양자우물’ 구조를 구현한 데 있다. 이 구조는 전자를 나노미터 수준으로 가두는 특성을 통해 심자외선 영역에서 효율적인 발광을 가능하게 한다. 기존 알루미늄질화갈륨(AlGaN) 기반 광원은 200~240nm 영역에서 효율이 1% 미만으로 급격히 떨어지는 한계를 보였다.
연구팀은 반데르발스 층상 구조의 특성을 활용해 기존 반도체 공정의 제약을 우회했다. 원자층 간 약한 결합을 이용해 층을 비틀어 적층함으로써 새로운 양자 구조를 형성했고, 이를 통해 기존 기술로 접근이 어려웠던 심자외선 파장대의 효율 문제를 해결했다.
심자외선은 세균과 바이러스 제거에 효과적인 파장으로 알려져 있다. 특히 200~230nm 대역은 인체 피부의 각질층을 통과하지 않아 상대적으로 안전성이 높은 것으로 평가된다. 반면 현재 상용화된 260nm 대역은 인체에 유해할 수 있어 활용에 제한이 있었다.
이번 기술이 상용화될 경우 병원, 학교, 대중교통 등 다중이용시설에서 공기와 표면을 상시 살균하는 차세대 방역 기술로 확장될 가능성이 있다. 코로나19 이후 확대된 위생·방역 수요와 맞물려 관련 시장의 기술 전환을 촉진할 수 있다는 관측이 나온다.
김종환 교수는 “반데르발스 물질의 양자 현상을 2차원에서 3차원으로 확장한 개념적 전환”이라며 “새로운 양자물질 설계와 차세대 광소자 개발의 출발점이 될 수 있다”고 말했다.
구혁채 과기정통부 구혁채 제1차관은 “김종환 교수는 과기정통부 기초연구 사업을 통해 지난 10년 간 한 분야를 꾸준하게 연구해 온 연구자”라며 “장기간 연구에 몰입할 수 있는 환경을 조성할 수 있도록 지원을 아끼지 않을 것”이라고 강조했다.
한편, 연구팀은 향후 고효율 심자외선 LED 소자 개발과 양자 광소자 응용으로 연구를 확대할 계획이다.
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