빛의 증폭, 광사태 효과

과학자들이 나노 물질에 작은 빛 에너지를 쏘여주면 물질 안에서 빛이 증폭하며 더 큰 빛 에너지를 방출하는 ‘나노입자 광사태 현상’을 처음으로 발견했다.

빛 에너지 전환효율을 40배 이상 높여 바이오 의료, 자율주행차, 태양전지 등 다양한 분야에 광범위하게 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.

 

광사태 효과 

서영덕 한국 화학연구원 의약바이오 연구본부 책임연구원과 남상환 책임연구원 연구팀은 미국과 폴란드 연구팀과  '툴륨'이라는 원소를 특정한 원자 격자 구조를 가진 나노입자로 합성하면 작은 에너지의 빛을 약한 세기로 쪼여도 빛이 물질 내부에서 증폭 반응을 일으켜 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출하는 현상을 처음으로 발견했다고 14일 밝혔다.

이 연구결과는 과학적 성과를 인정받아 국제학술지 '네이처'에 14일 표지논문으로 실렸다.

나노물질은 빛 에너지를 흡수하면 일부는 열에너지로 소모하고 나머지를 처음 흡수한 빛보다 작은 에너지로 방출한다. 이러한 하향변환 현상과 달리 일부 나노입자는 작은 에너지의 빛을 흡수해 더 큰 에너지의 빛을 방출하는 상향 변환 현상을 보인다. 빛 알갱이들이 결합하면서 수는 적어지는 대신 더 많은 에너지를 가진 채 다시 방출되는 것이다.

상환 변환 나노물질은 작은 에너지의 빛을 집중시켜 주는 렌즈 역할을 할 수 있다. 바이오 의료기술, 자율주행차나 사물인터넷(IoT)용 센서 등 다양한 활용이 기대되고 있다.

문제는 효율이다. 상향 변환 나노물질은 들어간 빛의 양 대비 나온 빛의 양을 뜻하는 광변환 효율이 1% 이하로 매우 낮다.

이번에 연구팀은 툴륨 원자의 격자 구조를 만들어 빛이 그 속에서 연쇄 증폭하도록 유도함으로써 광변환 효율을 한 번에 40%까지 높이는 데 성공했다. 광학적 연쇄 증폭을 일으키는 나노입자의 모습이 빛이 눈사태를 일으키는 모습과 비슷하다는 데 착안해 ‘광사태 나노입자’라고 이름 붙였다.

연구팀은 이 현상을 활용해 빛으로 보기 힘든 25나노미터(nm·10억분의 1m) 크기의 물질을 높은 해상도로 관측하는 데 성공했다.

광사태 나노입자는 빛을 활용한다면 어디나 적용할 수 있다. 연구팀은 화학연 내 페로브스카이트 태양전지 연구팀과 전지 효율을 높이는 응용연구를 진행하기로 했다.

광사태 나노입자가 전지가 흡수하지 못하는 근적외선을 흡수해 더 큰 에너지의 낮은 파장대로 방출시켜 전지의 효율을 높일 수 있다는 설명이다.

또 임신진단키트 형태의 바이러스 진단키트 등 형광물질을 쓰는 체외진단기기, 레이저 수술 장비, 항암 치료와 피부미용 용 마이크로 레이저 기술 등에도 적용 가능성을 찾을 계획이다.

 

툴륨

이름의 유래는 '세상의 북쪽 끝'을 의미하는 울티마 툴레(Ultima Thule).

주기율표 란타넘족에 속한 희토류 원소로 1879년 스웨덴의 클레베가 에르비아로부터 새 원소로서 분리하였다. 희토류 원소 중에선 가장 양이 적다고 알려져 있다.

비싸고 이용 가치가 적어 관심을 많이 받지 못하지만, 툴륨은 아크등의 아크 튜브에 툴륨 혼합물을 첨가해 초록색 방출 광선을 만들어 내는 데 많이 쓰이고 있다. 또 피부과 등에서 미용 레이저로 쓰이기도 한다.

네이처지 표지로 대한민국, 미국, 폴란드 공동 연구 성과로 이 원소를 이용해 만든 20nm 크기인 '광사태 나노입자'를 합성 제작을 발표한 논문이 올라왔다. 광자를 이용한 태양전지, 감지센서, 미소 세계 관측, 광섬유 등 활용할 수 있는 분야가 무궁무진하다.

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