"자외선 LED 한계 깼다"…효율 20배 '심자외선 광원' 개발[과학을읽다]

반데르발스 소재 비틀어 양자우물 구현…감염병 대응 차세대 위생 기술 기대

기존 반도체 기술로는 사실상 구현이 어려웠던 심자외선 영역에서 고효율 발광이 가능한 신소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 자외선 발광다이오드(LED)의 가장 큰 난제로 꼽히던 저효율 문제를 극복한 성과로, 감염병 대응을 위한 차세대 살균 기술로의 확장 가능성이 주목된다.

과학기술정보통신부는 김종환 포항공과대학교 교수와 조문호 기초과학연구원 단장 공동 연구팀이 심자외선 발광 효율을 기존 대비 20배 향상시킨 신소재를 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 세계 최고 권위 학술지인 '사이언스(Science)'에 게재됐다.

반데르발스 반도체 질화붕소(BN)를 비틀어 적층해 형성한 모아레 양자우물 모식도. 연구팀 제공

비틀어 쌓아 만든 '양자우물'…발광 효율 20배 향상

이번 연구의 핵심은 '비틀어 쌓는 구조'다. 연구팀은 원자층 사이가 약한 힘으로 결합된 반데르발스 반도체 소재인 질화붕소(BN)를 활용해, 서로 다른 각도로 적층할 경우 전자를 강하게 가둘 수 있는 새로운 양자 구조가 형성된다는 점을 확인했다. 이 구조는 '모아레 양자우물'로, 나노미터 크기 공간에 전자를 가둬 고에너지 빛을 효율적으로 방출할 수 있다.

기존 자외선 LED는 질화갈륨(GaN) 기반 반도체에서 알루미늄을 섞은 알루미늄질화갈륨(AlGaN) 소재를 사용해 심자외선 영역으로 확장해 왔다. 그러나 200~240㎚ 구간에서는 발광 효율이 1% 미만으로 급격히 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 BN 모아레 양자우물 구조를 통해 이 한계를 돌파했다. 동일 조건에서 기존 AlGaN 기반 구조 대비 20배 이상 높은 발광 효율을 기록했으며, 비틀림 각도 조절만으로 발광 파장을 제어할 수 있다는 점도 확인했다. 화학 조성 변경 없이 구조 설계만으로 성능을 제어할 수 있다는 의미다.

이번 성과는 실제 소자 구현으로도 이어졌다. 연구팀은 그래핀 전극을 적용해 전류를 흘리면 빛이 나오는 LED 형태로 제작하는 데 성공했으며, 낮은 전류에서도 선명한 심자외선 발광을 확인했다. 이는 해당 기술이 실험실 수준을 넘어 실제 광소자로 발전할 수 있음을 보여주는 결과다.

그래핀 전극을 적용한 질화붕소(BN) 모아레 양자우물 기반 심자외선 LED 소자에서 전압 인가 시 220~240nm 파장대의 강한 심자외선 발광이 나타나는 것을 보여주는 이미지 및 스펙트럼. 연구팀 제공

특히 200~230㎚ 파장의 심자외선은 피부 각질층을 통과하지 못해 인체에 상대적으로 안전하면서도 강력한 살균 효과를 지닌 것으로 알려져 있다. 현재 상용 자외선(약 260㎚)은 인체 노출 시 위험성이 있어 활용에 제약이 있었던 만큼, 이번 기술은 병원·학교·대중교통 등 다중 이용시설에서 상시 살균이 가능한 차세대 위생 기술로 활용될 가능성이 크다.

김종환 포항공대 교수는 "반데르발스 물질에서 나타나는 양자현상을 2차원에서 3차원으로 확장한 개념적 전환"이라며 "차세대 광소자와 양자물질 설계의 출발점이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과기정통부 기초연구사업과 기초과학연구원 지원사업을 통해 수행됐으며, 연구팀은 향후 고효율 심자외선 광원 소자 개발과 다양한 양자 광소자 응용으로 연구를 확장할 계획이다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr