[표지로 읽는 과학] 빛 에너지 증폭시키는 마법의 물질

네이처 제공

국제학술지 ‘네이처’는 이달 14일 위로 갈수록 점점 밝아지는 빛의 다발을 표지에 실었다. 네이처는 나노입자에 빛을 쏘이면 물질 속에서 빛이 증폭돼 더 큰 에너지를 가진 빛을 방출하는 '나노입자 광사태 현상'에 관한 연구를 실었다. 

나노입자가 빛 에너지를 흡수하면 일부는 열에너지로 소모하고 남은 에너지를 방출한다. 소모한 만큼 처음 흡수한 빛 에너지보다 작은 에너지를 방출하는 게 일반적이다. 그러나 어떤 나노입자는 흡수한 빛 에너지보다 더 큰 에너지를 가진 빛을 방출한다. 빛 알갱이인 광자가 나노입자 내부에서 서로 결합해 더 큰 에너지를 가진 상태로 방출되는 것이다.

서영덕 한국화학연구원 의약바이오연구본부 책임연구원과 남상환 책임연구원 연구팀은 미국과 폴란드 연구팀과 툴륨(Tm) 원소를 특정한 원자 격자 구조를 가진 나노입자로 합성해 작은 에너지의 빛을 약한 세기로 쪼이자 빛이 에너지가 더 커진 채로 방출되는 현상을 처음으로 발견했다. 이 현상이 눈이 갑자기 쏟아지는 눈사태와 비슷해 ‘광사태’라는 이름을 붙였다. 

광사태를 일으키는 기존 물질은 효율이 낮았다. 예를 들어 빛 알갱이가 100개 들어가면 대략 1개 정도가 나왔다. 에너지는 높지만 개수가 적어 활용하기 어려웠다. 연구팀이 만든 나노입자는 100개를 넣으면 40개 이상이 나오는 수준이다. 연구팀은 이 나노입자로 레이저 포인터 수준의 약한 빛을 쬐어 매우 작은 25나노미터(nm·10억분의 1m) 크기의 물질을 높은 해상도로 관측하는 데 성공했다. 약한 빛을 쪼여도 강한 빛이 나오므로 해상도가 높아진 것이다. 강한 빛 때문에 시료가 손상될 걱정도 없다. 

연구팀은 광사태 나노입자를 차세대 태양전지인 페로브스카이트태양전지 연구에 활용할 예정이다. 페로브스카이트태양전지는 기존 실리콘태양전지보다 좁은 파장대의 빛을 흡수해 효율이 낮다. 광사태 나노입자가 페트로브스카이트태양전지가 흡수할 수 없는 긴 파장의 빛을 짧은 파장의 빛으로 만들어 페로브스카이트태양전지에 쬐어주면 효율을 높일 수 있다.

[김우현 기자 mnchoo@donga.com]