심자외선 LED 효율 20배↑…국내 연구진, 신소재 개발

자외선 LED 난제 해결

200~230nm 고효율 발광 구현

반데르발스 반도체 질화붕소(BN)를 비틀어 적층해 형성한 모아레 양자우물 모식도. ⓒ과학기술정보통신부

국내 연구진이 기존 반도체로는 사실상 구현이 어려웠던 심자외선 영역에서 고효율 발광을 구현하는 신소재를 개발했다. 기존 대비 최대 20배 높은 발광 효율을 확보하며 차세대 살균·방역 기술로의 활용 가능성을 열었다.

과학기술정보통신부는 포항공과대학교 김종환 교수와 기초과학연구원 조문호 단장 연구팀이 반데르발스 반도체를 활용한 새로운 양자우물 구조를 통해 심자외선 LED 효율을 획기적으로 개선했다고 20일 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부 기초연구사업과 기초과학연구원 지원사업을 통해 수행했다. 성과는 3월 20일 세계적 학술지 ‘사이언스(Science)’에 게재됐다.

심자외선은 200~280nm 파장 영역으로 세균과 바이러스를 효과적으로 제거할 수 있어 코로나19 이후 수요가 급증한 분야다.

다만 기존 알루미늄질화갈륨(AlGaN) 기반 자외선 LED는 200~240nm 영역에서 발광 효율이 1% 미만으로 급격히 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 반데르발스 층상 구조를 갖는 질화붕소(BN)를 활용했다. 질화붕소를 일정 각도로 비틀어 적층하면 전자를 강하게 가둘 수 있는 새로운 형태의 ‘모아레 양자우물’이 형성된다는 점에 착안했다.

이 구조는 나노미터 크기 공간에 전자를 가두어 심자외선 발광을 유도하는 방식이다. 기존 AlGaN 양자우물 대비 20배 이상 높은 발광 효율을 나타냈다.

특히 비틀림 각도 조절만으로 발광 파장을 제어할 수 있어 화학 조성 변화 없이도 다양한 파장 구현이 가능하다는 점이 확인됐다.

연구진은 개념 검증 수준을 넘어 실제 LED 소자 제작에도 성공했다. 그래핀 전극을 활용해 전하를 주입한 결과 약 10μA 전류에서 심자외선 발광이 관측되며, 전기 구동 소자로의 확장 가능성을 입증했다.

이번 성과는 기초과학 측면에서도 의미가 크다. 기존에는 원자층 수준의 2차원 물질에서만 가능했던 양자 현상을 3차원 벌크 결정에서도 구현할 수 있음을 보여주며 반데르발스 물질 연구의 새로운 방향을 제시했다.

응용 측면에서는 공중보건 분야 활용 가능성이 주목된다. 200~230nm 파장대 심자외선은 피부 각질층을 통과하지 못해 인체에 상대적으로 안전한 것으로 알려져 있다. 해당 파장대에서의 고효율 발광이 가능해질 경우 병원, 학교, 대중교통 등에서 상시 살균이 가능한 차세대 위생 기술로 확산할 것으로 전망한다.

구혁채 과기정통부 제1차관은 “장기간 기초연구를 지속할 수 있는 환경 조성을 위해 지원을 강화하겠다”고 말했다.