ファンデルワールス半導体窒化ホウ素（BN）をねじって積層して形成したモアレ量子井戸模式図。
（ソウル＝ニュース１）ナ・ヨンジュン記者＝既存の半導体技術では事実上開発が不可能とされていた深紫外線領域で高効率光を放出する新素材が国内研究陣によって開発された。今回の成果は感染病の拡散を抑制する次世代衛生技術として活用が期待される。
科学技術情報通信部はキム・ジョンファン浦項工科大学(POSTECH)教授とチョ・ムンホ基礎科学研究院(IBS)団長研究チームがファンデルワールス半導体素材を基盤に新しい形態の量子井戸構造を具現し、既存素材に対する深紫外線放出効率を20倍向上させることに成功したと20日明らかにした。
既存の紫外線ＬＥＤは主に窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの半導体を使用し、ガリウム（Ｇａ）の一部をアルミニウム（Ａｌ）に置き換えたアルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）半導体に変えることで、発光波長を深紫外線領域まで調節することができる。しかし、200〜240nmの波長に達すると光源効率が1％未満に急激に落ち、その領域は依然として技術的難度が非常に高い未開拓の分野で残っていた。
研究チームはこの限界を克服しようとファンデルワールス層状構造を持つ半導体を活用して新しいLEDナノ素材を開発した。ファンデルワールス層状構造は原子層内部では原子が強く結合しているが、層と層の間は弱い引力（ファンデルワールス力）を持ちやすく落とせる特徴を有する。
窒化ホウ素（ＢＮ）は原子層がファンデルワールス力で積層された半導体素材であり、研究チームはこの窒化ホウ素の層をねじると、電子を強く閉じ込めることができる新しい形態の量子井戸構造が生成されることを発見し、これを「モアレ量子井戸」（moiré quantum well）と名付けた。この構造は、ナノメートルサイズの空間に電子を閉じ込め、深紫外線領域の光を効率的に放出するのに有利であり、既存のアルミニウム窒化ガリウム半導体に対して２０倍以上向上した発光効率を示した。
これまでファンデルワールス物質の量子現象研究は、グラフェンのような原子層厚の薄膜構造中心になってきた。しかし今回の研究は、窒化ホウ素の三次元結晶を単にねじって積層するだけでも、独特の二次元量子井戸構造を実現できるという点で新たな可能性を提示した。
今回の成果は公衆衛生及び環境衛生分野でも重要な活用可能性を持つ。強力な消毒効果を発揮する深紫外線の中でも、現在商用化されている260nm波長帯は、人体の皮膚や目にさらされると深刻な疾患を引き起こすことができ、活用が制限的だった。一方、２００～２３０ｎｍの波長帯域の深紫外線は皮膚最外郭の角質層を通過できず、人体に比較的安全であることが知られている。
今回の研究を通じてこれまで技術的難題とされてきた該当波長帯域の「高効率」発光限界を克服することにより、今後200～230nm深紫外線LED光源が商用化されると、既存の紫外線防疫の潜在的危険性を最小限に抑えながらも、病院、学校、公共交通機関など流動人口で次世代衛生技術として広く活用されるものと期待される。
キム・ジョンファン教授は「ファンデルワールス物質に現れる固有のモアレ量子物理現象を２次元から３次元物質に拡張する概念的転換」とし「この研究は今後の新しい量子物質設計と次世代光素子開発の出発点になるだろう」と話した。
研究チームは今後、この技術をもとに高効率深紫外線光源素子の開発と多様な次世代量子光素子応用で研究を拡張する計画だ。
科技政統部「基礎研究事業（中堅研究）」、「基礎科学研究院支援事業」で遂行した今回の研究成果は、世界最高権威の学術誌である「サイエンス」誌に20日に掲載された。
#超高効率深紫外線LED素材開発次世代衛生技術として活用