한국화학연구원과 미국·폴란드 공동 연구진이 나노 물질에 작은 빛 에너지를 쏘면 빛의 연쇄 증폭 반응이 일어나 더 큰 빛 에너지를 대량 방출하는 ‘광사태 현상’을 세계 최초로 발견했다. 연구 결과는 세계 최고 권위지 ‘네이처’ 14일자 표지 논문(사진)으로 실렸다. 광사태 현상은 자율주행차, 신재생에너지 등 미래 기술 발전에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.한국화학연구원은 서영덕 책임연구원·남상환 책임 연구팀이 해외 연구진과의 공동 연구를 통해 ‘톨륨’ 원소를 특정한 원자격자 구조를 가진 나노 입자로 합성하면 광사태 현상이 발생한다는 것을 확인했다고 이날 발표했다. 광사태 현상(photon avalanche)은 광학적 연쇄 증폭 반응이 빛이 눈사태를 일으키는 모습과 비슷하다는 점에 착안해 새로 붙여진 이름이다.
일부 원소의 나노 물질에 빛을 쏘면 더 큰 에너지의 빛이 방출되는 상향변환 현상이 발생한다. 상향변환 현상을 이용하면 광원으로 작은 에너지의 적외선을 사용할 수 있기 때문에 측정하고자 하는 시료를 제외한 이물질에 빛이 잘 도달하지 않는다. 노이즈나 시료 손상이 작아 각종 분야에 활용 가능성이 높다. 그러나 그동안 발견된 상향변환 나노 물질은 광변환 효율이 1% 이하로 낮아 상용화되지 못했다.
이번에 발견된 광사태 나노 입자는 광변환 효율이 40%로 높아 이런 걸림돌을 해결할 수 있다. 연구팀은 이 물질을 활용해 빛으로 보기 힘든 25㎚(나노미터) 크기의 물질을 높은 해상도로 관측하는 데 성공했다.
연구팀은 화학연구원 페로브스카이트 태양전지 연구팀과 함께 전지 효율을 높이는 응용 연구를 진행할 계획이다. 광사태 나노 물질은 자율주행차의 핵심 부품인 라이다(LiDAR)의 정확도를 높이는 데에도 활용될 수 있다. 연구진은 임신 진단키트 형태의 바이러스 진단키트 개발, 레이저 수술 장비 등에도 이 기술이 유용하게 쓰일 것으로 보고 있다.
최한종 기자 onebell@hankyung.com
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