POSTECH 김종환 교수팀, h-BN 기반 심자외선 LED 최초 개발
  • ▲ h-BN 기반 심자외선 LED. 그래핀, h-BN, 그래핀 구조를 갖는 반데르발스 헤테로 나노소재를 이용하여 강한 심자외선 빛을 방출할 수 있음을 보여주는 모식도이다.ⓒ포스텍
    ▲ h-BN 기반 심자외선 LED. 그래핀, h-BN, 그래핀 구조를 갖는 반데르발스 헤테로 나노소재를 이용하여 강한 심자외선 빛을 방출할 수 있음을 보여주는 모식도이다.ⓒ포스텍
    POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 신소재공학과 김종환 교수, 통합과정 송수범·윤상호 씨 연구팀은 육방정-질화붕소(이하 h-BN)를 이용해 심자외선 LED를 최초로 만들어냈다.

    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.

    이에 따라 심자외선 LED를 개발하려는 연구가 활발히 진행돼왔다. 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.

    김종환 교수팀이 이용한 h-BN은 흑연과 같은 반데르발스 층상물질이다. 단원자 층의 구조가 그래핀과 비슷하고 외관이 투명해 ‘화이트 그래핀’이라고도 불린다. 

    AlxGa1-xN과 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.

    김종환 교수팀은 h-BN 나노박막에 강한 전압을 걸어주면 터널링 효과에 의해 전자와 정공을 주입할 수 있음에 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.

    김종환 교수는 “새로운 파장 영역에서 고효율 LED 신소재 개발은 기존에 없었던 획기적인 광소자 응용 분야 개척에 시발점이 될 수 있다”며 “본 연구 결과는 차세대 신소재로 주목받고 있는 그래핀, h-BN을 이용해서 최초로 심자외선 LED를 구현했다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다.

    이어 “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.

    한편, 세계적으로 권위 있는 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 기초과학연구원 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.