화학연, 빛 연쇄증폭반응 보이는 광사태 나노입자 발견

나노 물질에 작은 빛 에너지를 쏘면 물질 내에서 빛의 연쇄증폭반응이 일어나 더 큰 빛 에너지를 대량 방출하는 광사태 현상이 세계 최초로 발견돼 네이처지 표지 논문에 선정됐다.

한국화학연구원은 서영덕·남성환 박사 연구팀이 미국·폴란드 연구팀과 ‘툴륨’(Tm) 원소를 특정 원자격자 구조를 가진 나노입자로 합성하면 작은 에너지의 빛을 약한 세기로 쬐도 빛이 내부에서 연쇄적 증폭 반응을 일으켜 더 큰 에너지의 빛을 방출하는 현상을 발견했다.

연구팀은 이 현상이 마치 빛이 눈사태를 일으키는 모습과 비슷하다는 점에서 착안해 ‘광사태 나노입자’라는 이름을 새로 붙였다.

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.

따라서 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 25nm 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.

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”고 설명했다“

연구팀은 향후 후속 연구를 통해 상용화 가능성을 높인다는 계획이다.