■ 빛 에너지 증폭시키는 마법의 물질 최초 발견

■ 빛 에너지 증폭시키는 마법의 물질 최초 발견

 

● 흡수한 빛 에너지보다 더 큰 에너지 빛 방출, ‘나노입자 광사태’ 현상

 

★ 한국화학연구원 의약바이오연구본부 서영덕 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 '나노입자 광사태 현상'을 세계 최초로 발견했다. 이 현상이 눈이 갑자기 쏟아지는 눈사태와 비슷해 ‘광사태’라는 이름을 붙였다.

 

★ 국제학술지 ‘네이처’는 2021년 01월 14일 위로 갈수록 점점 밝아지는 빛의 다발을 표지에 실었다. 네이처는 나노입자에 빛을 쏘이면, 물질 속에서 빛이 증폭되어 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 것이 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.

 

★ 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 25nm 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 페로브스카이트 태양전지 연구에 활용할 예정이다. 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 보다 좁은 파장대의 빛을 흡수해 효율이 낮다. 광사태 나노입자가 페트로브스카이트 태양전지가 흡수할 수 없는 긴 파장의 빛을 짧은 파장의 빛으로 만들어 페로브스카이트 태양전지에 쬐어주면, 효율을 높일 수 있다. 연구팀은 광사태 나노입자를 활용해 ★ 체외 진단용 바이오 메디컬 기술 ★ 레이저 수술 장비 및 내시경 등 광센서 응용기술, ★ 자율 주행 자동차 등 첨단 IoT 분야 등으로 발전시킬 방침이다.