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 > 김종환 포스텍교수·조문호 IBS 단장, 20일 사이언스 발표반데르발스 반도체 소재로 심자외선 효율 20배 높여반데르발스 반도체 질화붕소(BN)를 비틀어 적층해 형성한 모아레 양자우물 모식도 /사진=과학기술정보통신부기존 반도체 기술로는 불가능의 영역으로 여겨졌던 반도체 신소재가 국내에서 개발됐다.
>  과학기술정보통신부는 김종환 포스텍(포항공대) 교수와 조문호 IBS(기초과학연구원) 단장 연구팀이 반데르발스 반도체 소재를 기반으로 기존 대비 심자외선 방출 효율을 20배 높이는 데 성공했다고 20일 밝혔다.
>  과기정통부 기초연구사업(중견연구)와 IBS 지원사업으로 수행한 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지 사이언스에 20일 게재됐다.
> 사람이 눈으로 볼 수 있는 빛의 영역을 가시광 영역이라고 한다.
>  자외선 LED는 사람의 눈으로 볼 수 없지만, 가시광 영역보다 더 짧은 파장과 더 높은 에너지를 갖고 있다.
>  심자외선은 자외선 중에서 파장이 200~280nm(나노미터) 범위에 해당하는 자외선을 말한다.
>  기존의 자외선 LED는 주로 질화갈륨 기반 반도체를 사용했다.
>  갈륨의 일부를 알루미늄으로 대체한 알루미늄질화갈륨 반도체로 바꾸면 발광 파장을 심자외선 영역까지 조절할 수 있다.
>  하지만 200~240nm 파장에 도달하면 광원 효율이 1% 미만으로 급격히 떨어진다는 문제가 있다.
>  이 때문에 심자외선 영역은 기술적 난도가 매우 높은 미개척 분야로 남아있었다.
> 연구팀은 반데르발스 층상 구조를 갖는 반도체를 활용해 새로운 LED 나노소재를 개발했다.
>  원자층 내부의 원자는 강하게 결합돼 있지만, 층과 층 사이는 약한 인력(반데르발스 힘)을 가져 서로 쉽게 떨어뜨릴 수 있는 구조를 반데르발스 층상 구조라고 한다.
> 질화붕소는 원자층이 반데르발스 힘으로 적층된 반도체 소재다.
>  연구팀은 이 질화붕소의 층을 비틀어 쌓을 때 전자를 강하게 가둘 수 있는 새로운 형태의 양자우물 구조가 생성된다는 사실을 발견했다.
>  이를 모아레 양자우물이라고 명명했다.
>  이 구조는 나노미터 크기의 공간에 전자를 가둬 심자외선 영역의 빛을 효율적으로 방출하는 데 유리하다.
>  또 기존 알루미늄질화갈륨 반도체 대비 20배 이상 향상된 발광 효율을 나타냈다.
> 공중 보건 및 환경 위생 분야에서도 활용 가능성을 보였다.
>  강력한 소독 효과를 발휘하는 심자외선 중에서도 현재 상용화한 260nm 파장 대역은 인체의 피부나 눈에 노출될 경우 심각한 질환을 유발할 수 있는 반면 200~230nm 파장 대역의 심자외선은 피부 최외곽인 각질층을 통과하지 못해 인체에 상대적으로 안전한 것으로 알려졌다.
>  과기정통부는 200~230nm 심자외선 LED 광원이 상용화되면 기존 자외선 방역의 잠재적 위험성을 최소화하면서도 병원, 학교 등 유동 인구가 많은 실내 공간에서 널리 활용될 것이라고 했다.
> 김종환 교수는 반데르발스 물질에서 나타나는 고유한 모아레 양자물리 현상을 2차원에서 3차원 물질로 확장하는 개념적 전환이라며 향후 새로운 양자물질 설계와 차세대 광소자 개발의 출발점이 될 것이라고 했다.
> 구혁채 1차관은 김 교수는 과기정통부 기초연구 사업을 통해 지난 10년간 한 분야를 꾸준하게 연구해 온 연구자라며 연구자들이 단기적 성과에 연연하지 않고 장기간 연구에 몰입할 수 있는 환경을 만들겠다고 했다.
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