포스텍 , 코로나바이러스 잡는 발광다이오드(LED) ㅣ 가시광선·적외선 동시 작용 위조 방지 기술 개발
김종환 포스텍 교수팀
인체 피해 최소화
인체에 끼치는 해를 최소화하면서도 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19·코로나19) 바이러스를 잡을 수 있는 발광다이오드(LED)가 개발됐다.
김종환 포스텍 신소재공학과 교수팀은 ‘심자외선 LED’를 개발했다고 23일 밝혔다.
심자외선 LED는 200~280나노미터(nm·1nm는 10억분의 1m)로 짦은 파장의 자외선을 내뿜도록 설계된 반도체 광원이다. 가시광선과 달리 자외선은 물질에 쬐면 형태를 변형하거나 파괴할 수 있다. 이 중 투과도가 높은 근자외선은 피부에 노출될 경우 질병을 유발한다. 반면 심자외선은 피부 투과도가 낮아 안전하게 사용할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.
과학자들은 이에 따라 심자외선 LED 개발을 노력해왔다. 소재로 주로 질화알루미늄갈륨이 사용됐는데, 이 소재는 파장이 짧아질수록 발광 특성이 저하되는 한계가 존재했다. 이 때문에 질화알루미늄갈륨 대신 ‘육방정-질화붕소(h-BN)’가 주목받고 있다. h-BN은 흑연과 같은 반데르발스 층상물질로 단원자 층의 구조가 그래핀과 비슷하고 외관이 투명해 ‘화이프 그래핀’이라고도 불린다. 또 심자외선 영역에서 질화알루미늄갈룸보다 밝은 빛을 낸다. 다만 반도체나 절연체에 구속된 전자가 벗어날 수 있는 최소한의 에너지를 뜻하는 ‘밴드갭’이 크기 때문에 전자와 정공을 주입하기 어려워 LED로 제작하기 힘들었다.
연구팀은 전자와 전공을 주입하는 기술을 만들어내는 데 성공했다. 연구팀은 “h-BN 나노박막에 강한 전압을 걸어주면 ‘터널링 효과’로 전자와 정공 주입이 가능하다”고 설명했다. 터널링 효과는 전자가 원하지 않는 방향으로 흐르는 효과다. 연구팀을 h-BN을 소재로 한 LED를 개발했다. 그 결과 연구팀은 심자외선 분광장비를 통해 개발한 LED가 심자외선을 뿜는 것을 확인했다.
김 교수는 “LED 신소재 개발은 광소자 응용 분야 개척의 시발점이 될 수 있다”며 “이번 연구는 최초로 심자외선 LED를 구현했다는 의의를 가진다”고 밝혔다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 지난 8일 공개됐다.
고재원 기자 jawon1212@donga.com 동아사이언스
기계공학과·화학공학과 교수팀
가시광선과 적외선 두 개의 다른 파장의 빛을 이용해서 사회의 골칫거리인 정보 유출을 막을 수 있는 길이 열렸다. 빛의 성질을 극단적으로 활용하는 완전히 새로운 물질인 ‘메타표면’을 이용해서다. 이 기술을 사용하면 숨기고 싶은 정보는 따로 저장함으로써 보안을 한층 강화할 수 있다.
기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 김인기 박사(현 성균관대학교 생명물리학과 조교수), 기계공학과 석박사통합과정 정헌영 씨, 김주훈 씨 연구팀은 서로 다른 두 개의 메타원자를 이용해 가시광선과 적외선에서 동시에 작용하는 위조 방지 기술을 개발했다. 메타원자란 메타표면의 기본 단위를 일컫는다.
이전까지 대부분의 메타표면 장치는 가시광선이나 적외선 둘 중 하나의 좁은 파장대에서만 동시에 작용한다는 한계가 있었다. 다중 메타홀로그램의 경우에도 정보를 보기 위해선 광학 구성 요소를 추가하거나 별도 설정을 해야 했다.
노준석 교수팀은 서로 다른 재료의 메타원자로 문제를 해결하고자 했다. 구체적으로, 실리콘과 금으로 각각 532나노미터(nm) 가시광선과 980nm 적외선 빛의 위상을 조절하도록 했다. 서로 다른 메타원자는 가시광선과 적외선 모두에서 높은 효율로 각 파장의 홀로그램 이미지를 만들어냈다.
이번에 개발된 메타표면 장치에 가시광선과 적외선 레이저를 비추면 초록색 홀로그램 이미지와 함께, 눈으로 볼 수 없는 적외선 홀로그램 이미지가 나타난다. 여기서 1차 정보는 가시광선 영역의 홀로그램 이미지에서 암호화되고, 2차 정보는 적외선 영역에서 저장된다. 2차 정보는 적외선 센서 카드를 이용하면 눈으로도 볼 수 있다.
이 기술을 사용하면 위조 방지 기술의 보안을 한층 강화할 수 있다. 실리콘과 금 메타원자는 532nm와 980nm 이외에도 다양한 가시광선과 적외선 빛을 조절할 수 있다. 따라서 공개돼야 하는 정보는 가시광선 홀로그램으로, 숨겨야 하는 정보는 적외선 홀로그램으로 나타나게 하면 된다. 즉, 하나의 보안카드를 가지고 이중으로 정보를 지킬 수 있다.
노준석 교수는 “이번 연구에서 두 개의 메타표면으로 가능했던 기술을 실리콘과 금 기반의 메타표면 하나로 할 수 있음을 입증했다”며 “이는 고도화된 위조 방지 기술에 응용 가능하다는 의의가 있다”고 말했다.
한편, 삼성미래기술육성사업의 일환으로 진행된 이번 연구는 세계적인 학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머터리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 표지논문으로 최근 게재됐다.
포스텍 홍보팀
Recent Article
- 스마트워치 사용자, 공중에 텍스트 쓰기⋯
- 새만금 ‘신시도 호텔’ 개발사업 본격⋯
- 제3연륙교 건설 본격화...우선 시공분 3⋯
- 서울시, IoT 측정기로 대형공사장 미세⋯
- [K방역의 역주행] 대만의 코로나 방역⋯
케이콘텐츠
