화학연, 빛 연쇄증폭반응 보이는 '광사태 나노입자' 세계 최초 발견

네이처지 표지 장식… 바이오 의료 분야 등 미래 신기술 상용화 앞당길 것으로 기대

국내 연구진이 미국·폴란드 연구팀과의 공동연구를 통해 나노 물질에 작은 빛 에너지를 쏘여주면 물질 내에서 빛의 연쇄증폭반응이 일어나 더 큰 빛 에너지를 대량 방출하는 '광사태 현상(Photon Avalanche)'을 세계 최초로 발견했다.

이 '광사태 나노입자'는 바이러스 진단 등 바이오·의료 분야, 자율주행자동차 등 첨단 사물인터넷(IoT) 분야, 태양전지 등 신재생 에너지 분야 등 미래 기술에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

한국화학연구원 서영덕, 남상환 박사 연구팀은 미국·폴란드 연구팀과의 공동 연구를 통해 '툴륨(Tm)'이라는 원소를 특정한 원자격자 구조를 가진 나노입자로 합성하면 작은 에너지의 빛을 약한 세기로 쪼여도 빛이 물질 내부에서 연쇄적으로 증폭 반응을 일으켜 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출하는 현상을 발견했다고 14일 밝혔다.

연구팀은 이러한 반응을 일으키는 나노입자가 마치 빛이 눈사태를 일으키는 모습과 비슷하다는 점에 착안해 '광사태 나노입자(ANP)'로 이름 붙였다.

연구 논문은 '광사태 나노입자로부터의 거대 비선형 광학 반응'이라는 제목으로 영국 현지 시간 1월14일자 네이처지 표지논문에 선정됐다.

광사태 나노입자 기반 단일광선(Single-beam) 초고해상도 이미징./자료제공=한국화학연구원

연구팀에 따르면 일반적으로 나노 물질은 빛 에너지를 흡수하면 일부는 열에너지로 소모하고 나머지를 처음 흡수한 빛보다 작은 에너지의 빛으로 방출한다.


이렇게 대부분의 물질에서 하향 변환이 일어나는 것과 달리 일부 원소의 나노물질에서는 상향변환을 일으켜 작은 에너지의 빛을 흡수해 더 큰 에너지의 빛을 방출하는데, 이 상환변환 나노 물질을 이용하면 광원으로 작은 에너지의 적외선을 사용할 수 있다.

이를 이용하면 측정하고자 하는 시료를 제외한 이물질에 빛이 잘 도달하지 않아 노이즈가 적다. 또 작은 에너지를 사용하기 때문에 시료에 손상을 주지 않는다.

이런 장점 때문에 상향변환 물질은 차세대 바이오 의료 기술, IoT 기술, 신재생 에너지기술 등에 활용 가능성이 높아 최근 활발하게 연구가 진행되고 있다.

하지만 상향변환 나노물질은 광변환 효율이 1% 이하로 매우 낮아 현재 상용화되지 못하고 있다.

이런 걸림돌을 해결할 수 있는 특별한 상향변환 나노 물질인 '광사태 나노입자'가 이들 연구진에 의해 처음으로 발견된 것이다.

연구팀이 발견한 이 '광사태 나노입자'는 광변환 효율을 기존 상향변환 나노물질보다 40%나 더 높일 수 있다.

이 현상은 일단 빛이 나노 입자에 여러번 다중으로 흡수되면 나노입자를 구성하는 원자 격자 구조 속에서 빛의 연쇄증폭반응이 일어나 다시 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출하는 광학현상이다.

연구팀은 이 새로운 현상의 발견을 통해 빛으로 보기 힘든 매우 작은 25nm 크기의 물질을 높은 해상도로 관측하는 데 성공했다.

서영덕 박사는 "이번 연구성과는 미래 신기술인 바이오 의료분야를 비롯해 자율주행자동차, 인공위성 등 첨단 IoT 분야, 빛을 활용한 광유전학 연구나 광소재 등의 포토스위칭 기술 분야 등에 폭넓게 활용될 수 있다" 며 "후속 연구를 통해 상용화 가능성을 높일 것"이라고 말했다.