[위즈뉴스] 국내 연구진이 코로나19 바이러스를 사멸시킬 수 있는 새로운 소재의 심자외선 LED를 개발했다.
포스텍(POSTECH, 포항공과대학교)은 23일, 신소재공학과 김종환 교수 연구팀이 육방정-질화붕소(이하 h-BN)를 이용해 심자외선 LED를 최초로 개발했다고 밝혔다.
심자외선 LED는 200~280나노미터(nm)로 짧은 파장의 자외선을 내뿜도록 설계된 반도체 광원을 말하며, 이 LED를 코로나19 바이러스나 세균에 비추면 인체에 끼치는 해를 최소화면서도 해로운 병원체를 사멸시킬 수 있는 것으로 전해졌다.
이번 연구 성과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF=14.919)’ 12월 8일자에 게재됐다.
논문명은 'Deep-ultraviolet electroluminescence and photocurrent generation in graphene/hBN/graphene heterostructures(2차원 질화 붕소의 심자외선 전계발광과 광전류 발생)'이며, 포스텍 김종환 교수가 교신저자로, 송수범 통합과정생과 윤상호 통합과정생이 공동제1저자로 참여했다.
연구팀의 김종환 교수는 “이번 연구 결과는 차세대 신소재로 주목받고 있는 그래핀, h-BN을 이용해서 최초로 심자외선 LED를 구현했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.
이어 "(심자외선 LED는) 기존 AlxGa1-xN 소재에 비해 월등히 높은 발광 효율을 갖는 동시에 소자를 소형화할 수 있으므로, 추후 바이러스와 세균의 살균 시스템, 반도체 소자 제작 공정, 근거리 무선 통신 등에 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
가시광선과 달리 자외선은 물질에 쬐면 형태를 변형하거나 파괴할 수 있다.
이 중 투과도가 높은 근자외선은 피부가 노출될 경우 질병을 유발할 수 있지만 심자외선은 피부 투과도가 극히 낮아 안전하게 사용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
이에따라 그간 심자외선 LED를 개발하려는 연구가 활발히 진행되어왔으며, 주로 이용된 소재는 질화알루미늄갈륨(이하 AlxGa1-xN)이었다. 그러나 이 소재는 파장이 짧아질수록 발광 특성이 급격히 저하되는 근본적인 한계가 있어 심자외선 파장 영역에서 사용할 수 있는 LED의 구현은 숙제로 남아있었다.
이번 연구에서 연구팀이 이용한 육방정-질화붕소(h-BN)는 흑연과 같은 반데르발스 층상물질이다. 단원자 층의 구조가 그래핀과 비슷하고 외관이 투명해 ‘화이트 그래핀’이라고도 불린다. 질화알루미늄갈륨(AlxGa1-xN)과 달리 심자외선 영역에서 밝은 빛을 내, 심자외선 LED 개발에 사용될 수 있는 신소재로 여겨진다. 그러나 큰 밴드갭 때문에 전자와 정공을 주입하기 어려워 LED로 만들어내지는 못했다.
연구팀은 육방정-질화붕소(h-BN) 나노박막에 강한 전압을 걸어주면 터널링 효과에 의해 전자와 정공을 주입할 수 있다는 사실에 착안했다.
이에 따라 그래핀, h-BN, 그래핀이 쌓인 반데르발스 헤테로 나노소재를 기반하는 LED 소자를 제작했고, 실제 소자가 심자외선을 강하게 내뿜는 것을 심자외선 분광 장비를 통해 확인했다.
[그림설명] 육방정-질화붕소(h-BN) 기반 심자외선 LED.
그래핀, h-BN, 그래핀 구조를 갖는 반데르발스 헤테로 나노소재를 이용하여 강한 심자외선 빛을 방출할 수 있음을 보여주는 모식도이다.
연구팀의 김종환 교수는 “새로운 파장 영역에서 고효율 LED 신소재 개발은 기존에 없었던 획기적인 광소자 응용 분야 개척에 시발점이 될 수 있다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 기초과학연구원 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
