국내 한 연구진이 코로나19의 천적인 심자외선 LED를 개발해 주목을 받고있다.

포항공대(포스텍) 신소재공학과 김종환(사진) 교수, 통합과정 송수범·윤상호 씨 연구팀이 육방정-질화붕소(h-BN)를 이용해 심자외선 LED를 최초로 개발했다고 24일 밝혔다.

심자외선 LED는 짧은 파장의 자외선을 내뿜도록 설계된 200~280나노미터(㎚) 반도체 광원을 말한다. 이 LED를 코로나바이러스나 세균에 비추면 인체에 끼치는 해를 최소화 하면서도 해로운 병원체를 사멸할 수 있다.

가시광선과 달리 자외선은 물질에 쬐면 형태를 변형하거나 파괴할 수 있다. 이 중 투과도가 높은 근자외선은 피부에 노출될 경우 질병을 유발할 수 있지만 심자외선은 피부 투과도가 극히 낮아 안전하게 사용할 수 있다.

이에 그 동안 심자외선 LED를 개발하려는 연구가 활발히 진행돼 왔다. 주로 이용된 소재는 질화알루미늄갈륨(AlxGa1-xN)이었다.

하지만 이 소재는 파장이 짧아질수록 발광 특성이 급격히 저하되는 근본적인 한계가 있어 심자외선 파장 영역에서 사용할 수 있는 LED의 구현이 숙제로 남아 있었다.

김종환 교수 연구팀은 이번에 흑연과 같은 반데르발스 층상물질인 육방정-질화붕소를 활용했다. 이 물질은 단원자 층의 구조가 그래핀과 비슷하고 외관이 투명해 ‘화이트 그래핀’이라고도 불린다.

질화알루미늄갈륨과 달리 심자외선 영역에서 밝은 빛을 내 심자외선 LED 개발에 사용될 수 있는 신소재로 여겨졌다. 하지만 큰 밴드갭(반도체나 절연체에 구속된 전자가 벗어 날 수 있는 최소한의 에너지) 때문에 전자와 정공을 주입하기 어려워 LED로 만들어 내지는 못했다.

이에 그래핀, 육방정-질화붕소, 그래핀이 쌓인 반데르발스 헤테로 나노소재를 기반으로 하는 LED 소자를 제작했고, 실제 소자가 심자외선을 강하게 내뿜는 것을 심자외선 분광 장비를 통해 확인했다.

이 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 최근 호에 게재됐다.

김종환 교수는 “새로운 파장 영역에서 고효율 LED 신소재 개발은 기존에 없었던 획기적인 광소자 응용 분야 개척에 시발점이 될 수 있다”며 “이 연구 결과는 차세대 신소재로 주목 받고 있는 그래핀, 육방정-질화붕소를 이용해 최초로 심자외선 LED를 구현했다는 점에서 그 의의가 있다”고 말했다.