광사태 나노입자 기반 단일광선(Single-beam) 초고해상도 이미징/한국화학연구원 제공

한국화학연구원(이하 화학연) 서영덕·남상환 박사 연구팀이 미국·폴란드 연구팀과 공동 연구를 통해 ‘툴륨(Tm)’이라는 원소를 특정한 원자격자 구조를 가진 나노입자로 합성하면 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출하는 현상을 발견했다.

연구팀은 이러한 광학적 연쇄증폭반응을 일으키는 나노입자가 마치 빛이 눈사태를 일으키는 모습과 비슷하다는 점에 착안해 ‘광사태 나노입자(Avalanching Nano Particle ANP)’로 이름을 붙였다.

일반적으로 나노 물질은 빛 에너지를 흡수하면 일부는 열에너지로 소모하고 나머지는 처음 흡수한 빛보다 작은 에너지의 빛으로 방출한다.

다만 일부 원소의 나노 물질에서는 작은 에너지의 빛을 흡수해서 더 큰 에너지의 빛을 방출한다.

이러한 나노 물질을 상향변환 나노 물질(UpConversion Nano Particle·UCNP)이라 부른다.

측정할 때 시료에 손상을 주지 않고 시료를 제외한 이물질에는 빛이 잘 도달하지 않아 노이즈도 줄일 수 있는 장점이 있다.

그러나 광변환 효율이 1% 이하로 매우 낮기 때문에 현재 상용화되지 못하고 있다.

화학연구원은 특별한 상향변환 나노 물질인 광사태 나노 입자를 처음으로 발견했다.

광사태 나노 입자는 광변환 효율을 기존 상향변환 나노 물질 보다 40%까지 확보할 수 있다.

연구팀은 미국·폴란드 연구팀과 공동연구를 통해 '툴륨(Tm)'이라는 원소를 특정한 원자격자 구조를 가진 나노 입자로 합성할 경우, 작은 에너지의 빛을 약한 세기로 쪼여도 빛이 물질 내부에서 연쇄적으로 증폭 반응을 일으켜 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출하는 현상을 발견했다.

이 광학현상을 활용하면 광사태 나노입자에 레이저 포인터 수준의 약한 세기의 빛만 쪼여줘도 매우 강한 세기의 빛을 얻을 수 있다.

연구팀은 광사태 나노입자를 이용해 빛으로 보기 힘든 매우 작은 25㎚ 크기의 물질을 높은 해상도로 관측하는 데도 성공했다.

향후 화학연구원 페로브스카이트 태양전지 연구팀과 함께 전지의 효율을 높이는 응용연구를 진행할 계획이다.

특히 광사태 나노입자를 활용해 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 고도화시킬 계획이다.

이를 위해 연구팀은 레이저 포인터보다 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, 광유전학 연구나 광소재 등에 폭넓게 활용될 수 있도록 후속 연구를 통해 상용화 가능성을 높이겠다"고 말했다.

연구 결과는 지난 14일자 네이처지의 표지논문에 선정됐다.

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