[일문일답]"빛이 눈사태처럼 증폭···태양전지·라이다 검출기에 활용"

[이데일리 강민구 기자] 한국화학연구원 연구팀이 미국, 폴란드 연구팀과 빛 에너지를 받으면 점점 작게 빛을 방출하는 것이 아니라 오히려 증폭해 방출하는 나노 물질을 찾았다.

‘광사태 나노입자’라고 이름 붙여진 이 나노입자는 받은 에너지보다 많은 빛을 방출하고, 더 넓은 파장대의 빛도 흡수할 수 있다. 따라서 페로브스카이트 태양전지와 자율주행자동차 라이다 광검출기 등에 적용돼 장치 효율을 높이는데 활용할 수 있을 전망이다.

14일 과학기술정보통신부에서 열린 연구성과 브리핑에서 서영덕 한국화학연구원 박사는 세계에서 처음 발견한 ‘광사태 현상’의 의미와 활용분야를 소개했다.

연구팀은 ‘툴륨(Tm)’이라는 원소를 특정한 원자격자 구조를 가진 나노입자로 합성해 작은 에너지의 빛을 쪼여도 물질 내부에서 연쇄적으로 증폭 반응을 일으켜 더 큰 에너지의 빛을 방출하게 했다. 마치 트랜지스터가 전자신호를 증폭하는 것처럼, 원자 격자 구조 속에서 빛의 연쇄 증폭반응이 일어나면서 큰 에너지의 빛을 방출한다.

나노물질은 빛 에너지를 흡수하면 일부는 열에너지로 소모하고, 나머지를 처음 흡수한 빛 보다 작게 배출한다. 일부 원소의 나노물질에서 작은 에너지의 빛을 흡수해 더 큰 에너지의 빛을 방출해 학계의 관심을 받았지만 효율이 낮아 상용화를 이뤄내지 못했다.

서영덕 박사는 “받은 에너지 보다 더 많은 빛을 방출하는 ‘상향식 나노물질’에 학계 관심이 커지고 있지만, 광변환 효율이 1%에 그쳐 10여년간 연구가 답보상태였다”면서 “이번에 찾은 물질은 효율이 40%에 달해 빛 증폭이 필요한 바이오 의료분야, 자율주행자동차 등에 접목할 수 있을 것”이라고 기대했다.

아래는 서영덕 박사와의 일문일답.

서영덕 한국화학연구원 의약바이오연구본부 책임연구원이 ‘광사태 나노입자’에 대해 설명하고 있다.(사진=과학기술정보통신부)

-원리는

-‘툴륨(Tm)’이라는 원소를 특정한 원자격자 구조를 가진 나노입자로 합성해 작은 에너지의 빛을 쪼여도 물질 내부에서 연쇄적으로 증폭 반응을 일으켜 더 큰 에너지의 빛을 방출하도록 했다. 모든 물질에서 일어나는 것은 아니다. 구조속 알맹이 직경, 껍데기, 톨륨 등이 어우러져 광사태 나노입자를 구성한다.

-어디에 쓰일수 있나.

△자율주행자동차의 라이다의 검출기에 적용해 주변환경 감지를 보다 쉽고 값싸게 할 수 있다. 체외진단키트에는 그동안 유기염료를 써왔는데 개발한 입자를 접목하면 수년이 지나도 내구성을 유지하도록 할 수 있다. 페로브스카이트 태양전지, 광유전학 연구 등에도 활용할 수 있다.

-흡수하거나 방출하는 빛의 영역대는.

△적외선 영역을 흡수하지만 가시광선이나 가시광선 영역대의 빛을 방출한다.

-앞으로 기술을 상용화하려면 어떠한 후속 연구가 필요한가.

△빛이 흡수하는 영역은 물질 조성과 구조에 따라 달라질 수 있다. 알맹이 크기, 껍데기 두께 등을 조절해 흡수하는 빛 영역을 다양하게 넓히려고 한다.

-페로브스카이트 태양전지에 접목하면 효율을 높일 수 있나.

△현재 페로브스카이트 태양전지의 광전효율(빛을 전기로 전환)은 25% 수준으로 실리콘태양전지의 효율 29%에 비해 낮다. 실리콘태양전지는 800~110나노미터의 파장대의 빛을 흡수하는 반면 페로브스카이트는 흡수하지 못한다. 화학연 페로브스카이트 태양전지 팀과 협력해 공정과정에서 나노입자를 도입하면 버려지던 빛을 흡수해 효율을 최소 1~2% 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다. 실리콘태양전지 대비 가격이 저렴하다는 장점도 있다.