국내 연구진이 기존 반도체 기술로 개발이 극히 어렵다고 여겨졌던 심자외선 영역에서 고효율 빛을 방출하는 신소재를 개발하는 데 성공했다.

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

이번 연구는 이날 세계 최고 권위 학술지 '사이언스'에 실렸다.

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.

그간 반데르발스 물질 양자현상 연구는 박막 구조 중심으로 이뤄져 왔으나, 이번 연구는 질화붕소 3차원 결정을 단순히 비틀어 쌓는 것만으로도 독특한 2차원 양자우물 구조를 구현할 수 있음을 보였다고 연구팀은 설명했다.

특히 기존 상용화된 260㎚ 파장대역은 인체 피부나 눈에 노출되면 질환을 유발할 수 있지만, 연구팀이 개발한 소재는 240㎚ 이하에서 기존 소재 대비 20배 이상 효율을 보여 상용화가 기대된다.

200~230㎚ 심자외선은 피부 최외곽인 각질층을 통과하지 못해 인체에 상대적으로 안전한 것으로 알려져 있다.

김 교수는 "반데르발스 물질에서 나타나는 고유한 모아레 양자물리 현상을 2차원에서 3차원 물질로 확장하는 개념적 전환"이라며 "향후 새 양자물질 설계와 차세대 광소자 개발의 출발점이 될 것"이라고 말했다.