핵심 요약
포항공대 김종환 교수와 기초과학연구원(IBS) 조문호 단장 연구팀이 질화붕소(hBN) 층을 비틀어 쌓는 방식으로 ‘모아레 양자우물’을 구현해 200~230nm 대역의 심자외선(UV-C) 발광 효율을 기존 기술 대비 20배 이상 끌어올렸다(발표일 20일). 이번 신소재는 사람 노출 위험이 낮은 200~230nm 파장의 고효율 광원으로서 병원·학교·대중교통 등 실내 위생·방역 기술에 적용될 가능성이 크다.
- 연구팀: 포항공대(POSTECH) 김종환 교수·기초과학연구원(IBS) 조문호 단장 공동연구팀이 주도했다.
- 발표일 및 게재: 연구 성과는 20일 국제학술지 Science에 실렸다.
- 파장·효율: 대상 파장 범위는 심자외선 200~280nm이며, 특히 200~230nm 대역에서 기존 AlGaN 대비 발광 효율이 약 20배 향상됐다.
- 기술 핵심: 반데르발스 층상 질화붕소를 비틀어 적층해 나노 크기 양자우물(moiré quantum well)을 형성, 전자를 강하게 가둬 고에너지 심자외선 방출을 유도했다.
- 안전성·응용: 200~230nm 대역은 각질층을 통과하지 않아 인체 노출 위험이 상대적으로 낮아 병원·학교·대중교통의 상시 소독 광원으로 기대된다.
- 기술 난도: 기존 AlGaN 기반 LED는 200~240nm에서 발광 효율이 1% 미만으로 급락해 실용화에 제약이 있었다.
- 연구 기간·지원: 과기정통부 기초연구 사업을 통한 장기 연구의 결과물로, 연구자는 지난 10년간 해당 분야를 꾸준히 연구해 왔다.
사건 배경
가시광 반도체 광원은 LED 조명과 디스플레이, 레이저 등 산업 전반을 바꿔왔다. 최근에는 가시광보다 파장이 짧고 에너지가 높은 자외선 영역으로 개발 범위가 확장됐고, 특히 코로나19 팬데믹 이후 공기·표면 소독에 효과적인 심자외선에 대한 수요가 급증했다.
전통적으로 심자외선 LED 개발은 AlGaN(알루미늄질화갈륨)계 반도체에 의존해 왔다. 그러나 AlGaN 기반 소자는 200~240nm로 파장을 낮출수록 내부 결함과 전자-정공 분리 문제 등으로 광출력 및 효율이 급감해 실용화의 걸림돌이 됐다. 이러한 기술적 한계 때문에 200~230nm 대역에서 상용화 가능한 고효율 광원 확보는 오랜 난제로 남아 있었다.
주요 사건
연구진은 반데르발스 층상 구조의 질화붕소(hBN)를 이용해 문제를 풀었다. hBN은 각 원자층이 강하게 결합하면서도 층간은 반데르발스 힘으로 약하게 결합하는 특성이 있어, 층을 서로 비틀어 적층하면 모아레 패턴이 형성된다.
이 모아레 패턴이 나노미터 규모의 양자우물을 만들며 전자를 강하게 가두는 것으로 확인됐다. 연구팀은 이 구조가 심자외선 영역에서 효율적인 빛 방출을 돕는다는 점을 실험적으로 입증했고, 기존 AlGaN 대비 약 20배의 발광 효율 향상을 관찰했다.
연구 성과는 계측·분광을 통해 검증됐고, 논문(제목: Highly efficient, deep-ultraviolet luminescence in hBN moire quantum wells)은 동료 평가를 거쳐 Science에 20일 게재됐다. 연구진은 이 구조를 ‘모아레 양자우물(moiré quantum well)’로 명명했다.
분석 및 의미
첫째, 기술적 의미는 분명하다. 2차원 물질의 모아레 양자현상을 3차원 결정체에 적용해 새로운 양자우물 구조를 만든 것은 개념적 전환이다. 이는 단순한 소재 개선을 넘어 양자물질 설계의 새로운 패러다임을 제시한다.
둘째, 응용 가능성 측면에서 200~230nm 대역의 고효율 광원은 방역·위생 장비의 안전성과 효율을 동시에 끌어올릴 수 있다. 현재 상용화된 260nm 대역 자외선은 인체 노출 시 피부·눈 손상의 위험이 커 사용이 제한적이었다. 반면 200~230nm은 각질층에서 흡수되어 인체 내부 조직 손상이 적은 것으로 알려져 있어 상시 살균 광원으로서 실용성이 크다.
셋째, 산업적 파급효과는 의료·교육·교통 등 공공시설의 실내 공간 위생 관리 체계 변화를 촉발할 수 있다. 고효율 소자가 상용화되면 에너지 소비와 유지비용을 낮춘 채 상시 공기·표면 살균 시스템 도입이 촉진될 가능성이 있다.
넷째, 국제 경쟁력 측면에서 이번 성과는 반데르발스 물질과 나노구조 설계 역량을 바탕으로 한 고부가가치 광소자 분야에서 국내 연구진의 입지를 강화할 수 있다. 다만 실용화까지는 소자 집적화, 열관리, 대량생산 공정 등 추가 개발 과제가 남아 있다.
| 소재 | 대상 파장 | 상대 발광 효율 |
|---|---|---|
| AlGaN 기반 LED | 200~240nm | 대부분 구간에서 1% 미만 |
| hBN 모아레 양자우물(이번 연구) | 200~230nm | 기존 대비 약 20배 향상 |
위 표는 연구팀이 제시한 비교 수치를 요약한 것이다. 수치는 상대적 성능을 보여주며, 실제 상용 소자 성능은 소자 설계·칩 제조 공정에 따라 달라질 수 있다. 향후 연구는 소자화(디바이스화)와 공정 최적화 단계로 이어질 전망이다.
반응 및 인용
연구 발표 직후 연구팀과 정부 측의 반응이 나왔다. 연구 책임자와 정부 관계자는 장기 기초연구 지원의 성과와 향후 응용 가능성에 주목했다.
이번 연구는 반데르발스 물질에서 관찰되는 모아레 양자물리 현상을 3차원 물질로 확장한 개념적 전환입니다. 새로운 양자물질 설계와 차세대 광소자 개발의 출발점이 될 것입니다.
김종환 교수(포항공과대학교)
김 교수의 발언은 연구의 학문적 의의와 향후 응용 방향을 강조한 것이다. 연구팀은 논문에서 실험적 근거를 제시하며 모아레 구조의 전자구속 효과와 광방출 기작을 설명했다.
기초연구 사업을 통해 장기간 연구에 몰입할 수 있던 덕분에 이번 성과가 가능했다. 정부는 장기적 연구 환경 조성을 지속 지원하겠다.
구혁채 과기정통부 제1차관
과기정통부 발언은 정책적 지원의 중요성을 확인하는 한편, 해당 기술의 상용화 가능성에 대한 정부 차원의 관심을 시사한다. 전문가 커뮤니티와 산업계는 소자의 실용화 단계에서의 공정 기술 확보와 안전성 검증을 주목하고 있다.
불확실한 부분
- 상용화 시점: 논문은 소자 수준의 성능을 보고했으나, 대량생산 공정과 비용 효율성 확보 시점은 아직 불확실하다.
- 장기 안전성 데이터: 200~230nm 대역의 상대적 안전성은 알려져 있으나, 장기간 상시 노출 환경에서의 실사용 안전성 데이터는 추가 검증이 필요하다.
- 공정 확장성: 현재 결과는 연구실 규모의 증거로, 웨이퍼 규모 제조나 칩 통합 시 품질 일관성 유지가 도전 과제다.
총평
이번 연구는 심자외선 광원 기술의 난제를 소재 설계 수준에서 극복한 의미 있는 돌파구다. 특히 200~230nm 대역에서의 효율 향상은 방역·위생 분야에서 안전성과 성능을 모두 잡을 수 있는 가능성을 열어준다.
다만 기술 상용화를 위해서는 소자화, 열관리, 대량생산 공정 개발과 함께 규제·안전성 검증이 병행돼야 한다. 정부의 장기적 기초연구 지원과 산업계의 공정투자가 맞물릴 때 이 성과가 실제 제품과 서비스로 이어질 가능성이 높다.
출처
- 아이뉴스24 – (언론)
- 포항공과대학교(POSTECH) – (학계/기관)
- 기초과학연구원(IBS) – (연구기관)