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 > 김종환 포스텍 교수, 초고효율 심자외선 LED 소재 개발반데르발스 층상구조 반도체 활용… 방출효율 20배 향상반데르발스 반도체 질화붕소를 바틀어 적층해 형성한 모아레 양자우물 개념도. 포스텍 제공.2014년 노벨 물리학상을 안긴 청색 발광다이오드(LED) 개발은 반도체 소재를 통해 전기 에너지를 원하는 파장의 빛으로 변환하며 현대 반도체 광원 기술의 전환점을 마련했다는 평가를 받는다.
> 이후 질화갈륨(GaN) 반도체 소재 기반으로 청색 발광이 구현되면서 백색 LED 조명이 가능해졌고, 조명과 디스플레이 산업뿐 아니라 정보기술 전반에 근본적인 변화를 이끌었다.
> 이런 기술적 진보는 가시광선 영역보다 더 짧은 파장과 더 높은 에너지를 갖는 빛을 구현하려는 자외선 LED 개발로 확장됐다.
> 기존 자외선 LED는 주로 질화갈륨 기반 반도체를 사용하는데, 갈륨 일부를 알루미늄으로 대체하면 발광 파장을 심자외선(자외선 중 파장이 비교적 짧은 영역으로 200∼280㎚)까지 조절할 수 있다.
> 다만 200∼240㎚ 파장에 도달하면 광원 효율이 1% 미만으로 급격히 떨어져 지금까지 미개척 분야로 남아 있었다.
> 국내 연구진이 기존 반도체 기술로는 사실상 개발이 불가능하다고 여겼던 심자외선 영역에서 높은 효율로 빛을 방출하는 신소재를 개발했다.
> 김종환 포스텍 교수.조문호 IBS 연구단장.과학기술정보통신부는 김종환 포항공대 신소재공학과 교수팀과 조문호 기초과학연구원(IBS) 반데르발스 양자물질 연구단장 연구팀이 반데르발스 반도체 소재 기반으로 새로운 형태의 양자우물 구조를 구현해 기존 소재 대비 심자외선 방출 효율을 20배 높이는 데 성공했다고 20일 밝혔다.
> 연구결과는 국제 학술지 사이언스 20일자에 실렸다.
> 연구팀은 반데르발스 층상 구조를 갖는 반도체를 활용해 새로운 LED 나노소재를 개발했다.
>  반데르발스 층상 구조는 원자층 내부에서 원자들이 강하게 결합돼 있지만, 층과 층 사이는 약한 인력(반데르발스 힘)을 가져 쉽게 떨어뜨릴 수 있는 특징을 가진다.
> 연구팀은 반데르발스 힘으로 적층된 반도체 소재인 질화붕소의 층을 비틀어 쌓을 때, 전자를 강하게 가둘 수 있는 양자우물 구조가 생성되는 것을 발견했다.
>  이를 모아레 양자우물로 명명했다.
> 이 구조는 나노미터 크기의 공간에 전자를 가둬 심자외선 영역의 빛을 효율적으로 방출하는 데 유리하고, 기존 알루미늄질화갈륨 반도체 대비 20배 이상 향상된 발광 효율을 나타낸다.
> 현재 상용화된 260㎚ 파장 대역의 심자외선은 인체에 노출되면 심각한 질환을 유발해 활용이 제한적이었다.
>  반면 200∼230㎚ 파장 대역은 피부 가장 바깥쪽 각질층을 통과하지 못해 인체에 상대적으로 안전하다.
> 연구팀은 그동안 기술적 난제였던 200∼230㎚ 파장 대역의 고효율 발광 한계를 극복함에 따라 심자외선 LED 광원이 상용화되면 병원, 학교, 대중교통 등 실내 공간의 공기와 표면을 상시 살균하는 차세대 위생기술로 널리 활용될 것이라고 기대했다.
> 김 교수는 반데르발스 물질에서 나타나는 고유한 모아레 양자물리 현상을 2차원에서 3차원 물질로 확장하는 개념적 전환이라며 향후 새로운 양자물질 설계와 차세대 광소자 개발의 출발점이 될 것이라고 말했다.
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