"작은 에너지 빛으로 최대 1만 배 큰 에너지 방출"

화학연, 상변환물질로 '광사태 현상' 세계 첫 발견
광변환효율을 1%에서 최대 40%까지 높일 수 있어
페로브스카이트 태양전지, 자율주행차 라이다 등 활용

남상환 화학연 박사

서영덕 화학연 박사

서영덕·남상환 화학연 연구팀은 작은 에너지 빛으로 쏘아 연쇄적인 증폭반응을 통해 더 큰 에너지 빛으로 방출하는 '광사태 현상'을 세계 최초로 발견했다. 관련 연구성과가 표지 논문으로 게재된 국제 학술지 '네이처' 화학연 제공

국내 연구진이 나노입자에 레이저 포인터 수준의 약한 빛을 쏴도 높은 에너지 수준의 빛을 방출하는 새로운 광학현상을 세계 최초로 발견했다. 이 현상을 이용하면 광전변환효율이 낮아 상용화에 한계가 있는 페로브스카이트 태양전지의 효율을 상용 수준으로 높일 수 있고, 자율주행자동차의 라이다, 체내 삽입용 레이저, 신약개발 등에 광범위하게 쓸 수 있을 것으로 기대된다.

한국화학연구원은 서영덕·남상환 박사 연구팀은 미국, 폴란드 연구팀과 공동으로 '툴륨(Tm)' 원소를 특수한 원자격자 구조를 지닌 나노입자와 합성해 작은 에너지의 빛으로 쏘면 물질 내부에서 빛이 연쇄적인 증폭 반응을 일으켜 더 큰 에너지 빛으로 방출하는 '광사태 현상'을 발견했다고 14일 밝혔다.

일반적으로 나노물질은 빛 에너지를 흡수하면 일부는 열에너지로 소모하고, 나머지는 처음 흡수한 빛보다 에너지가 작은 빛을 방출한다.

하지만, 일부 원소의 나노물질에선 내부에서 큰 에너지의 빛으로 바뀌는 '상향변환'이 일어난다. 이 상향변환 나노입자는 100개의 광자를 흡수하면 약 1개 정도만 큰 에너지의 광자로 변환될 정도로 효율이 낮아 상용화하는 데 어려움이 있다.

연구팀은 상황변환 특성이 있는 물질인 '툴륨' 이온을 8% 이상 첨가해 코어-셀 구조의 나노입자를 만들고, 이 나노입자에 작은 에너지의 빛을 쏘자 입자 내부에서 광학적 연쇄증폭반응이 일어나면서 최소 100배에서 최대 1만 배 이상의 엄청난 에너지 빛을 방출했다.

연구팀은 이 현상이 마치 눈사태가 일어나는 모습과 비슷하다는 점에서 '광사태 나노입자(ANP)'라고 새롭게 이름을 붙였다.

이 광사태 나노입자의 광전변환효율은 40% 수준으로, 1% 이인 기존 나노물질보다 40배 이상 높았다고 연구팀은 설명했다. 쉽게 말해 작은 에너지의 빛 알갱이 100개를 광사태 나노입자가 흡수하면, 40개 정도의 큰 에너지 빛으로 전환해 방출하는 것이다.

연구팀은 광사태 현상을 이용해 빛으로 보기 힘든 매우 작은 크기인 70나노미터 크기의 물질을 높은 해상도로 관측하는 데 성공했다.

연구팀은 앞으로 화학연 페로브스카이트 태양전지 연구팀과 함께 태양전지 효율을 높이기 위한 연구를 진행할 계획이다.

또한 레이저 포인터보다 약한 LED(발광다이오드)로 광사태 현상을 발생시켜 임신진단키트나 바이러스 진단키트, 레이저 수술장비, 내시경, 항암치료 등에 활용할 방침이다.

서영덕 화학연 박사는 "광사태 현상은 빛을 활용하는 모든 산업과 기술에 적용할 수 있을 정도로 광범위한 응용 분야를 갖고 있다"며 "앞으로 바이오의료 분야를 비롯해 자율주행자동차, 인공위성, 광촉매 등에 활용하기 위한 후속연구를 지속하겠다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '네이처(15일자)' 전면 표지논문에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr