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 > 살균 등 차세대 위생 기술로 활용 기대감염병 확산을 억제할 수 있는 초고효율 심자외선 LED 소재가 개발됐다.
>  차세대 위생 기술로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
> 이번 연구는 기초연구 사업을 통해 지난 10년 동안 한 분야를 꾸준히 연구해 온 연구자의 결과물이라 더 눈길을 끈다.
> 기존 반도체 기술로는 사실상 개발이 불가능하다고 여겨졌던 심자외선(가시광선보다 파장이 짧은 자외선 중에서도 파장이 200~280nm 범위) 영역에서 고효율 빛을 방출하는 신소재를 국내 연구팀이 개발됐다.
> 반데르발스 반도체 질화붕소(BN)를 비틀어 적층해 형성한 모아레 양자우물 모식도. [사진=과기정통부]과학기술정보통신부(부총리 겸 과기정통부 장관 배경훈)는 포항공대(POSTECH) 김종환 교수와 기초과학연구원(IBS) 조문호 단장 연구팀이 반데르발스 반도체 소재를 기반으로 새로운 형태의 양자우물 구조를 구현해 기존 소재 대비 심자외선 방출 효율을 20배 향상시키는 데 성공했다고 20일 발표했다.
> 사람이 눈으로 볼 수 있는 가시광 영역의 반도체 광원 개발은 백색 LED 조명, 디스플레이, 레이저 광원 등 다양한 산업 발전을 이끌어 왔다.
>  최근에는 가시광 영역보다 더 짧은 파장과 더 높은 에너지를 가진 자외선 LED로 개발이 확장되고 있다.
>  신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 팬데믹 이후 세균과 바이러스를 효과적으로 제거할 수 있는 심자외선 광원에 대한 관심도 크게 늘었다.
> 기존의 자외선 LED는 주로 질화갈륨(GaN) 기반 반도체를 사용했다.
>  갈륨(Ga)의 일부를 알루미늄(Al)으로 대체한 알루미늄질화갈륨(AlGaN) 반도체로 바꾸면 발광 파장을 심자외선 영역까지 조절할 수 있다.
> 200~240nm 파장에 도달하면 광원 효율이 1% 미만으로 급격히 떨어진다.
>  해당 영역은 여전히 기술적 난이도가 매우 높은 미개척 분야로 남아 있었다.
> 연구팀은 이러한 한계를 극복하고자 반데르발스 층상 구조를 갖는 반도체를 활용했다.
>  새로운 LED 나노소재를 개발했다.
>  반데르발스 층상 구조는 원자층 내부에서는 원자들이 강하게 결합돼 있는데 층과 층 사이는 약한 인력(반데르발스 힘)을 가져 쉽게 떨어뜨릴 수 있는 특징을 가진다.
> 질화붕소(BN)는 원자층이 반데르발스 힘으로 적층된 반도체 소재이다.
>  연구팀은 이 질화붕소의 층을 비틀어 쌓을 때 전자를 강하게 가둘 수 있는 새로운 형태의 양자우물 구조가 생성된다는 사실을 발견했다.
> 이를 ‘모아레 양자우물(moiré quantum well)’이라고 명명했다.
>  이 구조는 나노미터 크기의 공간에 전자를 가둬 심자외선 영역의 빛을 효율적으로 방출하는 데 유리하다.
>  기존 알루미늄질화갈륨 반도체 대비 20배 이상 향상된 발광 효율을 나타냈다.
> 그동안 반데르발스 물질의 양자현상 연구는 그래핀과 같은 원자층 두께의 박막 구조 중심으로 이뤄져 왔다.
>  이번 연구는 질화붕소 3차원 결정을 단순히 비틀어 적층하는 것만으로도 독특한 2차원 양자우물 구조를 구현할 수 있다는 점에서 새로운 가능성을 제시했다.
> 이번 성과는 공중 보건과 환경 위생 분야에서도 중요한 활용 가능성을 지닌다.
>  강력한 소독 효과를 발휘하는 심자외선 중에서도 현재 상용화된 260nm 파장 대역은 인체의 피부나 눈에 노출될 경우 심각한 질환을 유발할 수 있어 활용이 제한적이었다.
> 200~230nm 파장 대역의 심자외선은 피부 최외곽인 각질층을 통과하지 못해 인체에 상대적으로 안전한 것으로 알려져 있다.
> 이번 연구를 통해 그동안 기술적 난제로 여겨졌던 해당 파장 대역의 ‘고효율’ 발광 한계를 극복함에 따라 앞으로 200~230nm 심자외선 LED 광원이 상용화되면 기존 자외선 방역의 잠재적 위험성을 최소화할 수 있다.
> 병원, 학교, 대중교통 등 유동 인구가 많은 실내 공간에서 공기와 표면을 상시 지속적으로 살균하는 차세대 위생 기술로 널리 활용될 것으로 기대된다.
> 김종환 교수는 “반데르발스 물질에서 나타나는 고유한 모아레 양자물리 현상을 2차원에서 3차원 물질로 확장하는 개념적 전환”이라며 “이번 연구는 앞으로 새로운 양자물질 설계와 차세대 광소자 개발의 출발점이 될 것”이라고 말했다.
> 구혁채 과기정통부 제1차관은 “김종환 교수는 과기정통부 기초연구 사업을 통해 지난 10년 동안 한 분야를 꾸준하게 연구해 온 연구자”라며 “연구자들이 단기 성과에 연연하지 않고 장기간 연구에 몰입할 수 있는 환경을 조성할 수 있도록 지원을 아끼지 않을 것”이라고 전했다.
> 연구팀은 앞으로 이번 기술을 바탕으로 고효율 심자외선 광원 소자 개발과 다양한 차세대 양자 광소자 응용으로 연구를 확장할 계획이다.
> 이번 연구 성과(논문명: 논문명 : Highly efficient, deep-ultraviolet luminescence in hBN moire quantum wells)는 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 20일 실렸다.
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