기존 소재 한계 넘은 ‘모아레 양자우물’ 구현…발광 효율 20배 향상
데르발스 반도체 소재 비틀어 쌓아, 전자 가두는 양자우물 형성
감염병 확산 억제하는 차세대 위생 기술로서 활용 기대
반데르발스 반도체 질화붕소(BN)를 비틀어 적층해 형성한 모아레 양자우물 모식도[그림=김종환 교수]
국내 연구진이 기존 반도체 기술로는 사실상 구현이 어렵다고 여겨졌던 심자외선 영역에서 고효율 발광이 가능한 신소재를 개발했다. 포항공과대학교(POSTECH) 김종환 교수와 기초과학연구원(IBS) 조문호 단장 연구팀은 반데르발스 반도체 소재인 질화붕소(hBN)를 비틀어 적층한 새로운 형태의 ‘모아레 양자우물(moiré quantum well)’ 구조를 구현해, 기존 알루미늄질화갈륨(AlGaN) 기반 소재 대비 심자외선 방출 효율을 20배 이상 끌어올렸다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제학술지 사이언스에 2026년 3월 20일자로 게재됐다.
심자외선은 가시광선보다 파장이 짧은 자외선 가운데서도 대체로 200~280nm 구간을 가리킨다. 이 영역은 세균과 바이러스 제거에 효과적인 광원으로 주목받아 왔지만, 기존 자외선 LED의 주력 소재인 AlGaN 계열은 200~240nm 구간에 도달하면 발광 효율이 1% 미만으로 급격히 떨어지는 한계가 있었다. 이 때문에 해당 파장대는 오랫동안 대표적 미개척 구간으로 꼽혀 왔다.
연구팀은 이 난제를 반데르발스 층상 반도체 구조에서 풀어냈다. 질화붕소 층을 일정 각도로 비틀어 쌓자 전자를 나노미터 크기 공간에 강하게 가둘 수 있는 새로운 양자우물 구조가 형성됐고, 이를 통해 고에너지 심자외선의 방출 효율을 크게 높였다는 설명이다. 기존 반데르발스 물질 연구가 주로 그래핀 등 원자층 두께의 박막 구조 중심이었다면, 이번 연구는 3차원 질화붕소 결정을 비틀어 적층하는 방식만으로도 독특한 2차원 양자우물 특성을 구현할 수 있음을 보여줬다는 점에서 의미가 크다.
이번 성과는 차세대 방역·위생 기술 측면에서도 주목된다. 현재 상용화된 260nm대 심자외선은 강한 살균력을 갖지만 피부나 눈에 노출될 경우 인체에 해를 줄 수 있어 활용에 제약이 있었다. 반면 200~230nm 대역은 피부 최외곽 각질층을 통과하지 못해 상대적으로 안전한 파장대로 알려져 있어, 이 구간에서 고효율 광원을 구현하는 것이 핵심 과제로 꼽혀 왔다. 연구팀 성과가 실제 소자 상용화로 이어질 경우 병원, 학교, 대중교통 등 다중이용시설의 상시 공기·표면 살균 기술로 확장될 가능성이 제기된다.
김종환 포스텍 교수는 “반데르발스 물질에서 나타나는 고유한 모아레 양자물리 현상을 2차원에서 3차원 물질로 확장하는 개념적 전환”이라며 “향후 새로운 양자물질 설계와 차세대 광소자 개발의 출발점이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업(중견연구)과 IBS 지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 정부는 장기간 축적형 기초연구가 세계적 성과로 이어진 사례로 이번 연구를 평가하고 있다
질화붕소(BN) 모아레 양자우물을 이용한 심자외선 LED 소자와 발광 특성 [그림 김종환 교수]
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