반데르발스 반도체 질화붕소(BN)를 비틀어 적층해 형성한 모아레 양자우물 모식도. 과학기술정보통신부 제공
국내 연구진이 기존 반도체 기술로는 불가능하다고 여겨졌던 심자외선(Deep-UV) 영역에서 빛 방출 효율을 20배 이상 높인 신소재를 개발했다. 과학기술정보통신부는 포항공과대학교 김종환 교수와 기초과학연구원 조문호 단장 연구팀의 이번 성과가 세계 최고 권위 학술지인 「사이언스(Science)」지에 3월 20일 게재됐다고 밝혔다.
심자외선은 가시광선보다 파장이 짧은 자외선 중에서도 200~280nm 범위에 해당하며 세균과 바이러스를 제거하는 살균 능력이 탁월하다. 하지만 기존의 질화갈륨 기반 반도체는 파장이 짧아질수록 광원 효율이 1% 미만으로 급격히 떨어지는 기술적 한계가 있었다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 원자층이 약한 인력으로 겹쳐진 반데르발스 층상 구조의 질화붕소 소재에 주목했다.
연구팀은 두 개의 질화붕소 결정을 특정 각도로 비틀어 쌓을 때 전자를 좁은 공간에 강하게 가둘 수 있는 새로운 형태의 구조가 형성된다는 사실을 발견했다. 이를 ‘모아레 양자 우물’이라고 명명했으며 이 구조를 통해 심자외선 방출 효율을 기존 소재 대비 20배 이상 향상시키는 데 성공했다. 특히 화학적 조성 변화 없이 비틀림 각도 조절만으로 파장을 제어할 수 있다는 점이 이번 연구의 핵심이다.
이번 성과는 공중 보건 및 위생 분야에 혁신적인 변화를 가져올 것으로 기대된다. 현재 상용화된 260nm 대역의 자외선은 인체 피부나 눈에 유해하지만 이번에 효율을 극대화한 200~230nm 대역은 인체 각질층을 통과하지 못해 상대적으로 안전하다는 특징이 있다. 따라서 향후 이 기술이 상용화되면 병원, 학교, 대중교통 등 유동 인구가 많은 공공장소에서 상시 살균이 가능한 차세대 위생 시스템 구축이 가능해진다.
김종환 교수는 이번 연구에 대해 반데르발스 물질의 양자 현상을 2차원에서 3차원 물질로 확장한 개념적 전환이라며 앞으로 새로운 양자 물질 설계와 차세대 광소자 개발의 중요한 출발점이 될 것이라고 밝혔다. 과기정통부는 연구자들이 단기 성과에 연연하지 않고 장기적인 기초 연구에 몰입할 수 있도록 지속적인 지원을 아끼지 않겠다고 덧붙였다.
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