기존 반도체 기술로는 사실상 개발이 불가능하다고 여겨졌던 심자외선 영역에서 고효율 빛을 방출하는 신소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

과학기술정보통신부는 김종환 포스텍(POSTECH) 교수와 조문호 기초과학연구원(IBS) 단장 연구팀이 반데르발스 반도체 소재를 기반으로 새로운 형태 양자우물 구조를 구현, 기존 소재 대비 심자외선 방출 효율을 20배 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다.

심자외선은 가시광선보다 파장이 짧은 자외선 중에서도 파장이 200~280나노미터(㎚) 범위에 해당하는 자외선 영역이다. 코로나19 팬데믹 이후 병원균을 효과적으로 제거할 수 있는 고효율UV-C 광원에 관한 관심이 급격히 증가함에 따라 심자외선 광원도 주목받고 있다.

기존 자외선 LED는 주로 질화갈륨(GaN) 기반 반도체를 사용하며, 갈륨(Ga) 일부를 알루미늄(Al)으로 대체한 알루미늄질화갈륨(AlGaN) 반도체로 바꾸면, 발광 파장을 심자외선 영역까지 조절할 수 있다.

다만 200~240㎚ 파장에 도달하면 광원 효율이 1% 미만으로 급격히 떨어져 해당 영역은 여전히 기술적 난이도가 매우 높은 미개척 분야로 남아 있었다.

연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 반데르발스 층상 구조를 갖는 반도체를 활용해 새로운 LED 나노소재를 개발했다. 반데르발스 층상 구조는 원자층 내부에서는 원자들이 강하게 결합해 있지만, 층과 층 사이는 약한 인력(반데르발스 힘)을 가져 쉽게 떨어뜨릴 수 있는 특징을 가진다.

질화붕소(BN)는 원자층이 반데르발스 힘으로 적층된 반도체 소재로, 연구팀은 이 질화붕소의 층을 비틀어 쌓을 때 전자를 강하게 가둘 수 있는 새로운 형태의 양자우물 구조가 생성된다는 사실을 발견해 이를 '모아레 양자우물(moire quantum well)'이라고 명명했다.

이 구조는 ㎚ 크기 공간에 전자를 가둬 심자외선 영역의 빛을 효율적으로 방출하는 데 유리하며, 기존 알루미늄질화갈륨 반도체 대비 20배 이상 향상된 발광 효율을 나타냈다.

이번 연구는 질화붕소 3차원 결정을 단순히 비틀어 적층하는 것만으로도 독특한 2차원 양자우물 구조를 구현할 수 있다는 점에서 새로운 가능성을 제시했다.

공중 보건 및 환경 위생 분야에서도 중요한 활용 가능성을 내포한다. 강력한 소독 효과를 발휘하는 심자외선 중에서도 현재 상용화된 260㎚ 파장 대역은 피부나 눈에 노출되면 심각한 질환을 유발할 수 있어 활용이 제한적이었다.

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

연구팀은 기술적 난제로 여겨졌던 해당 파장 대역의 고효율 발광 한계를 극복함에 따라 향후 200~230㎚ 심자외선 LED 광원이 상용화되면 기존 자외선 방역의 잠재적 위험성을 최소화하면서도 차세대 위생 기술로써 널리 활용될 것이라고 전망했다.

이에 따라 이 기술을 바탕으로 고효율 심자외선 광원 소자 개발과 다양한 차세대 양자 광소자 응용으로 연구를 확장할 계획이다.

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

한편 이번 연구 성과는 세계 최고 권위 학술지 '사이언스(Science)'에 20일 게재됐다.

이인희 기자

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