인체는 보호하고, 병원균만 잡는 초고효율 심자외선 LED 원천기술 개발
병원균에는 치명적이면서도 인체는 보호할 수 있는 초고효율 심자외선 LED 소재 원천기술이 개발됐다. 이를 활용하면 혁신적인 방역 시스템 구축이 가능해질 전망이다. 과학기술정보통신부는 김종환 포항공과대학교(POSTECH) 신소재공학과 교수와 조문호 기초과학연구원(IBS) 반데르발스양자물질연구단장 연구팀이 반데르발스 반도체 소재를 기반으로 새로운 형태의 양자우물 구조를 구현하고, 기존 소재 대비 심자외선 방출 효율을 20배 향상시키는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 연구결과는 국제 학술지 사이언스(현지시간 19일)에 게재됐다. 김종환 교수는 "차세대 심자외선 광원에 필요한 핵심 소재 원천 기술을 확보했다는 데 의의가 있다"며 "심자외선은 미생물 DNA와 RNA 구조 자체를 파괴, 강력한 살균 및 소독 효과를 발휘하기 때문에 화학물질 기반 방식과 달리 소독 후 유해한 부산물을 남기지 않는다"고 설명했다. 김 교수는 "그러나 현재 상용화된 260nm 파장 대 심자외선 LED는 인체 피부나 눈에 노출될 경우 심각한 질환을 유발할 수 있어, 사람이 없는 빈 공간이나 야간에만 제한적으로 사용해야 하는 한계가 있었다"며 "이번에 개발한 240nm 이하 파장 대 심자외선은 피부 최외곽인 각질층을 투과하지 못해 인체에 상대적으로 안전하다"고 부연 설명했다. 그러나 기존 반도체 소재인 알루미늄 질화갈륨(AlGaN)이 해당 파장 대역에서 발광 효율이 극히 낮아 실제 살균 기술로 상용화하기에 어려움이 컸다. 그런데 이 한계를 이 연구팀이 돌파한 것. 김 교수는 "이번에 개발한 질화붕소(hBN) 양자우물은 240nm 이하 대역에서 기존 소재 대비 20배 이상 뛰어난 효율을 증명했다"며 "이를 적용하면 병원, 학교, 대중교통 등 유동 인구가 많은 실내 공간에서도 공기와 표면을 상시 지속적으로 살균하는 혁신적인 방역 시스템으로 이어질 수 있다"고 말했다. 연구팀은 기존 반도체와 결합 방식이 다른 물질에 주목했다. 반데르발스 물질은 원자층 내부에서는 원자들이 강하게 공유결합으로 결합돼 있지만, 층과 층 사이가 약한 반데르발스 힘으로 적층된 구조를 갖는다. 대표적인 예가 흑연으로, 이를 한 층씩 분리하면 그래핀(Graphene)이 된다. 또 이러한 층상 구조는 원자층을 자유롭게 적층하거나 상대적으로 비틀 수 있다는 점에서 기존 반도체와는 다른 설계 자유도를 제공한다. 연구팀은 질화붕소를 선택했다. 이는 그래핀과 유사한 벌집 구조를 가지면서도 매우 넓은 밴드갭을 지닌 와이드 밴드갭 반도체다. 연구팀은 두 개의 질화붕소 3차원 결정을 서로 비틀어 적층하는 경우 형성되는 계면에서 전자를 강하게 속박하는 새로운 형태의 양자우물이 생성됨을 발견했다. 이에 연구팀은 이 구조를 '모아레 양자우물'이라 명명했다. 레이저 분광법을 통해 모아레 양자우물이 나노미터 규모의 공간에서 전자를 효과적으로 가두어 자외선 빛을 효율적으로 방출한다는 것을 확인했다. 그 결과 동일한 조건에서 측정한 기존 AlGaN 반도체 양자우물 구조와 비교해 20배 이상 우수한 형광 특성이 나타났다. 더 나아가 연구팀은 두 질화붕소 결정 사이의 비틀림 각도만을 조절함으로써 발광 파장을 제어할 수 있음도 입증했다. 이는 반도체 소재에서 화학적 조성 변화 없이 비틀림 각도를 조절한 적층 구조만으로 원하는 파장의 자외선을 선택적으로 구현할 수 있음을 의미한다. 연구팀은 단순한 광학적 관측에 그치지 않고, 실제로 전기를 흘려 빛을 내는 LED 소자를 제작했다. 그래핀을 전극으로 사용하여 터널링 방식으로 전하를 주입한 결과, 10μA 정도의 전류에서 선명한 심자외선 발광이 관측됐다. 제1저자인 홍성윤 IBS 반데르발스양자물질연구단 박사후연구원은 "이는 BN 모아레 기술이 실질적인 전기 구동 소자로 발전할 수 있음을 보여주는 개념 증명(PoC)"이라고 말했다. 연구팀은 향후 실용화를 위해 질화붕소의 우수한 심자외선 발광 특성을 실제 산업용 소자에 온전히 구현하는 기술을 확보할 계획이다. 특히 전기적으로 효율이 높은 LED 구동을 위해서는 '반도체-금속 전극 접합 기술'과 같은 고도화된 소자 공정 기술이 필수적이라는 판단에 따라 이를 위한 후속 연구를 활발히 진행 중이다. 구혁채 과기정통부 제1차관은 “김종환 교수는 과기정통부 기초연구 사업을 통해 지난 10년 간 한 분야를 꾸준하게 연구해 온 연구자”라며, “연구자들이 단기적인 성과에 연연하지 않고 장기간 연구에 몰입할 수 있는 환경을 조성할 수 있도록 지원을 아끼지 않을 것”이라고 밝혔다.
