"사람 있어도 24시간 살균 가능"… 인체 피해 줄인 '착한 자외선' 소재 나왔다

포스텍 김종환 교수·IBS 조문호 단장 연구팀 성과…사이언스지 게재

새로운 양자우물 구조 생성…기존 소재 대비 심자외선 방출 효율 20배↑

더 안전한 심자외선 방역 신기술 기대…차세대 광소자 개발에도 활용

과학기술정보통신부는 김종환 포항공과대학교(포스텍) 교수와 조문호 기초과학연구원(IBS) 단장 연구팀이 반데르발스 반도체 소재를 기반으로 새로운 형태의 양자우물 구조를 구현해 기존 소재 대비 심자외선 방출 효율을 20배 향상시키는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 사진은 반데르발스 반도체 질화붕소(BN)를 비틀어 적층해 형성한 모아레 양자우물 모식도. (사진=과기정통부 제공) *재판매 및 DB 금지

 [서울=뉴시스]윤현성 기자 = 국내 연구진이 기존 반도체 기술로는 불가능하다고 여겨졌던 ‘심자외선(Deep UV)’ 영역에서 고효율의 빛을 내는 신소재를 개발했다.

그동안 기술적 난제로 꼽혔던 발광 효율 문제를 해결함에 따라, 앞으로 병원이나 학교 등 사람이 있는 공간에서도 24시간 상시 방역이 가능한 시대가 열릴 것으로 보인다. 이번 연구는 단순한 위생 기술을 넘어 차세대 양자물질 설계의 새로운 이정표를 세웠다는 평가를 받는다.

과학기술정보통신부는 포항공과대학교(포스텍) 김종환 교수와 기초과학연구원(IBS) 조문호 단장 연구팀이 새로운 형태의 ‘모아레 양자우물’ 구조를 구현해, 기존 소재보다 심자외선 방출 효율을 20배나 높이는 데 성공했다고 20일 밝혔다.

과기정통부 기초연구사업(중견연구)와 기초과학연구원 지원사업으로 수행한 이번 연구 성과는 이번 성과는 세계 최고 권위 학술지 ‘사이언스’에 게재됐다.

'마의 1%' 효율 벽 넘었다… 나노미터 크기의 '빛 감옥' 설계

우리가 흔히 쓰는 LED 조명은 가시광선 영역을 이용한다. 최근에는 코로나19 등을 거치며 살균력이 강한 자외선 LED 개발이 활발하지만, 살균력이 가장 강력한 ‘심자외선(200~280nm)’ 영역은 효율이 1% 미만으로 급격히 떨어지는 고질적인 문제가 있었다.

연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 종이처럼 얇은 원자층이 겹겹이 쌓인 ‘반데르발스 반도체’에 주목했다. 연구팀은 이 소재를 살짝 비틀어 쌓을 때 원자들 사이에 에너지를 강하게 가둘 수 있는 미세한 공간이 생긴다는 점을 발견하고, 이를 '모아레 양자우물'이라 이름 붙였다. 이 공간이 마치 전자를 가두는 '감옥' 역할을 해 빛을 훨씬 더 밝고 효율적으로 내뿜게 만드는 것이다.

질화붕소(BN) 모아레 양자우물을 이용한 심자외선 LED 소자와 발광 특성의 모습. 왼쪽 상단은 그래핀 전극을 이용해 제작한 질화붕소 모아레 양자우물 기반 심자외선 LED 소자의 광학 현미경 이미지, 왼쪽 하단은 전압을 인가했을 때 강한 심자외선이 방출되는 모습이다. 오른쪽은 질화붕소 모아레 양자우물에서 방출된 심자외선 스펙트럼으로, 220~240㎚  파장대에서 강한 심자외선 발광 특성이 확인됐다. (사진=과기정통부 제공) *재판매 및 DB 금지

"사람 있어도 안심"… 24시간 상시 방역 가능해진다

이번 기술이 특히 주목받는 이유는 '안전성' 때문이다. 현재 상용화된 자외선 살균기(260nm 대역)는 살균력은 좋지만 인체 피부나 눈에 닿으면 심각한 시력 손상 등을 유발해 가능한 한 사람이 없을 때만 제한적으로 사용해야 했다

반면 이번에 개발된 200~230nm 사이의 심자외선 LED 소재는 바이러스는 완벽히 제거하면서도 사람의 피부 각질층은 통과하지 못한다. 즉 사람이 북적이는 병원, 학교, 지하철 등에서도 안심하고 24시간 내내 공기와 물체를 소독할 수 있는 '꿈의 방역'이 가능해지는 셈이다

김종환 교수는 “반데르발스 물질에서 나타나는 고유한 모아레 양자물리 현상을 2차원에서 3차원 물질로 확장하는 개념적 전환”이라며 “이 연구는 향후 새로운 양자물질 설계와 차세대 광소자 개발의 출발점이 될 것”이라고 강조했다.

구혁채 과기정통부 제1차관은 “김종환 교수는 과기정통부 기초연구 사업을 통해 지난 10년 간 한 분야를 꾸준하게 연구해 온 연구자”라며 “연구자들이 단기적인 성과에 연연하지 않고 장기간 연구에 몰입할 수 있는 환경을 조성할 수 있도록 지원을 아끼지 않을 것”이라고 말했다.

연구팀은 향후 이 기술을 바탕으로 고효율 심자외선 광원 소자 개발과 다양한 차세대 양자 광소자 응용으로 연구를 확장할 계획이다.


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