한국과 미국·폴란드 공동연구진이 나노입자에 에너지 수준이 레이저 포인트 정도인 약한 빛을 쏘이면 높은 효율로 큰 에너지 수준의 빛으로 변화되는 '광사태 현상'(Photon Avalanche)을 세계 최초로 발견했다.

한국화학연구원 서영덕·남상환 박사팀은 미국·폴란드 연구팀과 공동 연구로 특수한 구조의 나노입자를 합성하고, 이 나노입자에 작은 에너지의 빛을 쏠 때 물질 내에서 빛 알갱이가 더 큰 에너지의 빛으로 연쇄 증폭되는 '광사태 현상'을 발견했다.

▲ 툴륨 이온이 도핑된 나노입자 내부에서의 빛의 광사태 연쇄증폭반응 메커니즘.

나노물질은 빛 에너지를 흡수하면 일부는 열에너지로 소모하고 나머지는 흡수한 빛보다 에너지가 작은 빛을 방출하는 게 일반적이다. 그러나 일부 원소의 나노물질에서는 작은 에너지의 빛을 쏘였을 때 내부에서 큰 에너지의 빛으로 바뀌는 '상향변환'(UpConversion)이 일어난다.

하지만 기존의 상향변환 나노입자는 100개의 광자를 흡수하면 1개 정도만 큰 에너지의 광자로 변환될 정도로 효율이 낮아 상용화하는 데는 어려움이 있었다.

연구진은 이 연구에서 상향변환 특성이 있는 물질인 '툴륨'(Tm) 이온을 8% 이상 첨가해 코어-셸( Core-shell) 구조의 나노입자를 만들고, 이 나노입자에 작은 에너지의 빛을 약하게 쏘일 때 내부에서 기존에 관측되지 않던 연쇄 증폭 반응이 빠르게 일어난다는 사실을 발견했다.

연구진은 이런 현상이 눈사태가 일어나는 모습과 비슷하다는 점에 착안해 이 나노입자를 '광사태 나노입자'(ANP : Avalanching Nano Particle)라고 명명했다.

이 광사태 나노입자의 광변환 효율은 40% 정도로 1% 이하인 기존 나노물질보다 40배 이상 높았다고 연구진은 설명했다. 작은 에너지의 빛 알갱이 100개를 흡수하면 40개 정도가 큰 에너지의 빛으로 전환되는 셈이다.

연구진은 광사태 현상으로 빛으로도 보기 힘들 정도로 작은 25nm(나노미터 = 10억분의 1m) 크기의 물질을 높은 해상도로 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구진은 이를 기반으로 향후 화학연 페로브스카이트 태양전지 연구팀과 함께 전지의 효율을 높이는 응용 연구를 진행할 계획이다. 광사태 나노입자를 활용하면 눈에 보이지 않는 근적외선을 흡수해 더 큰 에너지로 변환하고 전지 효율을 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

또 연구진은 광사태 나노입자를 활용해 살아 있는 세포 내부를 들여다봄으로써 신약을 개발하거나 레이저 수술 장비, 내시경 등 광센서 응용기술을 발전시킬 계획이다.

서영덕 박사는 "이 연구 성과는 빛을 활용하는 산업과 기술에 광범위하게 적용돼 향후 미래 신기술로 활용될 가능성이 크다"며 "바이오 의료 분야를 비롯해 자율주행자동차, 인공위성 등 첨단 사물인터넷(IoT) 분야, 빛을 활용한 광유전학 연구나 광소재 기술 분야 등에 폭넓게 활용할 수 있도록 상용화 가능성을 높이겠다"고 말했다.

이 연구 결과는 지난 14일 국제학술지 '네이처:Nature)에 전면 표지 논문으로 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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