국내 연구진이 기존 반도체 기술로는 사실상 개발이 불가능하다고 여겨졌던 심자외선 영역에서 고효율 빛을 방출하는 신소재를 개발했다. 심자외선은 강력한 소독효과로 공중보건이나 환경위생분야 활용가능성이 높다.

과학기술정보통신부는 포항공대(POSTECH) 김종환 교수와 기초과학연구원(IBS) 조문호 단장 연구팀이 반데르발스 반도체 소재 기반 새로운 양자우물 구조를 구현해 기존 소재 대비 심자외선 방출 효율을 20배 향상시키는 데 성공했다고 20일 밝혔다.

발광다이오드(LED) 연구는 최근 가시광을 넘어 더 짧은 파장과 높은 에너지를 가진 자외선 LED로 확장되고 있다.

이중 파장이 200~280나노미터(㎚, 10억분의 1m) 범위인 심자외선은 세균과 바이러스 제거 등을 쓸 수 있어 관심이 커지고 있다.

기존 자외선 LED는 주로 질화갈륨(GaN) 기반 반도체를 쓰는데, 갈륨 일부를 알루미늄으로 대체한 알루미늄질화갈륨(AlGaN)을 반도체로 바꾸면 발광 영역을 심자외선 영역까지 조절할 수 있었다. 하지만 200~240㎚ 파장에 도달하면 광원 효율이 1% 미만으로 급격히 떨어지는 게 문제였다.

연구팀은 원자층과 층 사이 약한 인력(반데르발스 힘)을 가져 쉽게 떨어트릴 수 있는 반데르발스 층상 구조를 가진 반도체 소재인 질화붕소(BN)를 활용했다. 질화붕소의 층을 비틀어 쌓는 방식을 활용하면 전자를 강하게 가둘 수 있는 새로운 형태의 양자우물 구조가 생성된다는 것을 발견한 것이다.

간섭무늬를 뜻하는 ‘모아레’를 붙인 이 모아레 양자우물 구조는 ㎚ 크기 공간에 전자를 가둬 심자외선 영역 빛을 효율적으로 방출하는 것으로 나타났다.

연구팀에 따르면 이번 연구성과는 공중보건과 환경위생분야에서도 활용가능성이 높다. 강력한 소독 효과를 발휘하는 심자외선 중에서도 현재 상용화된 260nm 파장 대역은 인체의 피부나 눈에 노출될 경우 심각한 질환을 유발할 수 있어 활용이 제한적이었다. 반면 200~230nm 파장 대역의 심자외선은 피부 최외곽인 각질층을 통과하지 못해 인체에 상대적으로 안전한 것으로 알려져 있다.

김종환 교수는 “반데르발스 물질에서 나타나는 고유한 모아레 양자물리 현상을 2차원에서 3차원 물질로 확장하는 개념적 전환”이라며 “이 연구는 향후 새로운 양자물질 설계와 차세대 광소자 개발의 출발점이 될 것”이라고 밝혔다.

고성수 기자 ssgo@naeil.com