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'광사태 나노입자' 발견..바이오·IoT 등 미래 신기술 상용화 기대

조소영 기자 입력 2021. 01. 14. 11:09

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나노 물질에 작은 빛 에너지를 쏘아주면 물질 내에서 빛의 연쇄증폭반응이 일어나 더 큰 빛 에너지를 대량 방출하는 '광사태 현상'(Photon Avalanche)이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 발견됐다.

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

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서영덕·남상환 화학연 박사 연구팀 성과..네이처지 표지논문 선정
'광사태 나노입자'에 대한 네이처지 표지논문. (한국화학연구원 제공) 2021.1.14/뉴스1

(서울=뉴스1) 조소영 기자 = 나노 물질에 작은 빛 에너지를 쏘아주면 물질 내에서 빛의 연쇄증폭반응이 일어나 더 큰 빛 에너지를 대량 방출하는 '광사태 현상'(Photon Avalanche)이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 발견됐다.

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

14일 한국화학연구원은 서영덕·남상환 화학연 박사 연구팀이 미국·폴란드 연구팀과의 공동 연구로 이같은 성과를 냈다고 밝혔다.

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.

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

이에 따라 광사태 나노입자에 레이저 포인터 수준의 약한 세기의 빛만 쪼여줘도 매우 강한 세기의 빛을 방출할 수 있다.

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

연구팀은 향후 화학연 페로브스카이트 태양전지 연구팀과 함께 전지의 효율을 높이는 응용연구를 진행할 계획이다. 광사태 나노입자는 기존 전지가 흡수·활용할 수 있는 빛의 영역보다 더 긴 파장의 빛도 흡수할 수 있기 때문에 전지의 효율을 높일 수 있다.

또 광사태 나노입자를 활용해 임신진단키트 형태의 바이러스 진단 키트 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.

이를 위해 연구팀은 레이저 포인터보다 더 약한 세기의 LED 빛으로도 광사태 현상을 일으키기 위한 후속 연구를 진행 중이다.

이번 연구결과는 '광사태 나노입자로부터의 거대 비선형 광학 반응'이라는 제목으로 14일자(영국시간) 네이처지(I.F.=42.8) 표지논문에 선정됐다.

후속연구와 관련해 이번 표지논문의 공동교신저자인 서영덕 박사와 미국 컬럼비아대학의 제임스 셕(P.James Schuck) 교수는 최근 세계적 권위의 고든콘퍼런스에서 상향변환 나노입자 분야의 콘퍼런스를 처음으로 공동창립했다.

이들은 올해 6월 하순에 미국에서 첫 콘퍼런스를 개최할 예정이다.

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 말했다.

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

cho11757@news1.kr

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