한국화학연구원, 광사태 나노 입자 세계 최초 발견···네이처紙 표지 장식
한국화학연구원, 광사태 나노 입자 세계 최초 발견···네이처紙 표지 장식
  • 박세아 기자
  • 승인 2021.01.14 14:40
  • 댓글 0
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한국화학연구원과 미국·폴란드 공동연구팀, 광사태 현상 발견
바이오 의료 분야, 첨단 IoT 분야, 신재생 에너지 분야 등 광사태 나노 입자 활용
한국화학연구원 서영덕, 남상환 박사 연구팀은 미국·폴란드 연구팀과의 공동 연구로 세계 최초로 발견한 광사태 현상 이미지가 네이처지 실린 모습(출처: 한국화학연구원)
한국화학연구원 서영덕, 남상환 박사 연구팀과 미국·폴란드 연구팀의 공동 연구로 세계 최초로 발견한 광사태 현상 이미지가 네이처지 표지에 실린 모습(출처: 한국화학연구원)

[바이오타임즈] 한국화학연구원 서영덕, 남상환 박사 연구팀은 미국·폴란드 연구팀과의 공동 연구로, 나노 물질에 작은 빛 에너지를 쏘여주면 물질 내에서 빛의 연쇄 증폭 반응이 일어나 더 큰 빛 에너지를 대량 방출하는 ‘광사태 현상(Photon Avalanche)’을 세계 최초로 발견했다. 관련 논문은 네이처지 표지 논문에 선정됐다.

이번 광사태 나노입자 발견으로 바이러스 진단 등 바이오·의료 분야, 자율 주행 자동차 등 첨단 IoT 분야, 태양전지 등 신재생 에너지 분야 등 미래 기술에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

일반적으로 나노 물질은 빛 에너지를 흡수하면 일부는 열에너지로 소모하고, 나머지를 처음 흡수한 빛보다 작은 에너지의 빛으로 방출한다. 이렇게 대부분의 물질에서 하향(下向)변환이 일어나는 것과 달리, 일부 원소의 나노 물질에서는 상향변환이 일어난다. 즉, 작은 에너지의 빛을 흡수해서 더 큰 에너지의 빛을 방출한다.

이 상환변환 나노 물질(UCNP, UpConversion Nano Particle)을 이용하면, 광원으로 작은 에너지의 적외선을 사용할 수 있어서 측정하고자 하는 시료를 제외한 이물질에 빛이 잘 도달하지 않아 노이즈가 적으며, 작은 에너지를 사용하기 때문에 시료에 손상을 주지 않는다. 이러한 장점 때문에 상향변환 물질은 차세대 바이오 의료 기술, IoT 기술, 신재생 에너지 기술 등에 활용 가능성이 높아 최근 활발하게 연구가 진행되고 있다.

그러나 상향변환 나노 물질(UCNP)은 광변환 효율이 1% 이하로 매우 낮기 때문에 현재 상용화되지 못하고 있다. 그런데 이런 걸림돌을 해결할 수 있는 특별한 상향변환 나노 물질인 광사태 나노 입자가 처음으로 발견된 것이다. 연구팀이 발견한 광사태 나노입자는 광변환 효율을 기존 상향변환 나노 물질보다 매우 높은 40%까지 높일 수 있다.
 

툴륨 이온(Tm3+)이 도핑된 나노입자 내부에서의 빛의 광사태(PA Photon Avalanche) 연쇄증폭반응의 메커니즘(출처: 한국화학연구원)
툴륨 이온(Tm3+)이 도핑된 나노입자 내부에서의 빛의 광사태(PA Photon Avalanche) 연쇄증폭반응의 메커니즘(출처: 한국화학연구원)

연구팀은 ‘툴륨(Tm)’이라는 원소를 특정한 원자 격자 구조를 가진 나노 입자로 합성하면, 작은 에너지의 빛을 약한 세기로 쪼여도 빛이 물질 내부에서 연쇄적으로 증폭 반응을 일으켜 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출하는 현상을 발견했다. ‘광사태 나노입자(Avalanching Nano Particle: ANP)’라는 이름은 이러한 광학적 연쇄증폭반응을 일으키는 나노 입자가, 마치 빛이 눈사태를 일으키는 모습과 비슷하다는 점에 착안해 새롭게 붙여졌다. 본 내용은 ‘광사태 나노입자로부터의 거대 비선형 광학 반응(Giant Nonlinear Optical Responses from Photon-Avalanching Nanoparticles)’라는 제목으로, 영국시간 2021년 1월 14일 자 네이처紙(I.F.=42.8)의 표지논문에 선정됐다.

연구팀이 발견한 이 현상은 일단 빛이 나노 입자에 여러 번 다중으로 흡수되면, 나노 입자를 구성하는 원자 격자 구조 속에서 빛의 연쇄 증폭 반응이 일어나 다시 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출하는 광학현상이다. 따라서 광사태 나노 입자에 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 나노 입자는 기존 전지가 흡수·활용할 수 있는 빛의 영역보다 더 긴 파장의 빛도 흡수할 수 있기 때문에 전지의 효율을 높일 수 있다.
 

광사태 나노입자 기반 단일광선(Single-beam) 초고해상도 이미징(출처: 한국화학연구원)
광사태 나노입자 기반 단일광선(Single-beam) 초고해상도 이미징(출처: 한국화학연구원)

또한 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.

후속 연구와 관련해 본 표지논문의 공동교신저자인 서영덕 박사와 미국 컬럼비아대학의 P. James Schuck 교수는 최근 세계적인 권위의 고든콘퍼런스(Gordon Research Conference)에서 상향변환 나노입자(Upconverting Nanoparticle) 분야의 콘퍼런스를 처음으로 공동 창립하여 올해 6월 하순에 미국에서 첫 콘퍼런스를 개최할 예정이다.
 

본 표지논문의 공동교신저자인 서영덕 박사와 미국 컬럼비아대학의 P. James Schuck 교수(출처: 한국화학연구원)
본 표지논문의 공동교신저자인 서영덕 박사와 미국 컬럼비아대학의 P. James Schuck 교수(출처: 한국화학연구원)

화학연 서영덕 박사는 “이번 연구 성과는 빛을 활용하는 모든 산업과 기술에 광범위하게 쓰일 수 있어 향후 미래 신기술로 활용될 가능성이 크다”라며 “바이오 의료분야를 비롯해 자율 주행 자동차, 인공위성 등 첨단 IoT 분야, 빛을 활용한 광유전학 연구나 광소재 등의 포토스위칭 기술 분야 등 폭넓게 활용될 수 있다. 후속 연구를 통해 상용화 가능성을 높이겠다”라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부의 한국화학연구원 강소형 연구과제, 한국연구재단 글로벌연구실(GRL) 지원사업과 산업자원부의 산업기술혁신사업 지원으로 수행되었다.

 

[바이오타임즈=박세아 기자] news@biotimes.co.kr


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