빛에너지 대량 방출하는 ‘광사태 현상’ 세계 최초 발견

빛의 연쇄증폭반응 보이는 광사태 나노입자 연구 결과가 실린 네이처紙 표지.[사진 = 화학연구원]

한국과 미국·폴란드 연구팀이 ‘광사태 현상’(Photon Avalanche)을 세계 최초로 발견했다.

광사태 현상은 나노 물질에 작은 빛 에너지를 쏘여주면 물질 내에서 빛의 연쇄증폭반응이 일어나 더 큰 빛 에너지를 대량 방출하는 것을 말한다.

보통 나노 물질은 빛 에너지를 흡수하면 일부는 열에너지로, 나머지는 빛 에너지로 방출한다. 처음 흡수한 에너지보다 작은 에너지를 방출하는 것인데, 이번에 발견된 현상은 흡수한 에너지보다 더 많은 에너지를 방출한다.

광사태 나노입자는 바이러스 진단 등 바이오·의료 분야, 자율주행자동차 등 첨단 IoT 분야, 태양전지 등 신재생 에너지 분야 등 미래 기술에 폭넓게 활용될 수 있다.

한국화학연구원은 서영덕·남상환 박사 연구팀이 미국·폴란드 연구팀과 공동으로 진행한 연구 결과를 14일 발표했다.

이들은 ‘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 발견했다.

광변환 효율은 1% 이하로 낮은데, 연구팀이 발견한 광사태 나노입자는 이를 40%까지 높일 수 있다.

연구팀은 이러한 광학적 연쇄증폭반응을 일으키는 나노입자가, 마치 빛이 눈사태를 일으키는 모습과 비슷하다는 점에 착안해 ‘광사태 나노입자(Avalanching Nano Particle: ANP)로 이름을 붙였다.

연구팀은 향후 화학연 페로브스카이트 태양전지 연구팀과 함께 전지의 효율을 높이는 응용연구를 진행할 계획이다.

또 광사태 나노입자를 활용해 임신진단키트 형태의 바이러스 진단키트 등 체외진단용 바이오메디컬 기술, 레이저 수술 장비 및 내시경 등 광센서 응용기술, 항암 치료와 피부 미용 등에 쓰이는 체내 삽입용 마이크로 레이저 기술 등으로 발전시킬 계획이다.

화학연 서영덕 박사는 “이번 연구성과는 빛을 활용하는 모든 산업과 기술에 광범위하게 쓰일 수 있어 향후 미래 신기술로 활용될 가능성이 크다”며 “바이오 의료분야를 비롯해 자율주행자동차, 인공위성 등 첨단 IoT 분야, 빛을 활용한 광유전학 연구나 광소재 등의 포토스위칭 기술 분야 등 폭넓게 활용될 수 있다. 후속 연구를 통해 상용화 가능성을 높이겠다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 세계 최고 권위지 Nature지의 2021년 1월 14일자 표지논문(Cover Article)으로 선정됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국화학연구원 강소형 연구과제, 한국연구재단 글로벌연구실(GRL) 지원사업과 산업자원부의 산업기술혁신사업 지원으로 수행됐다.