화학공학/고분자공학부 서영덕 교수, 

빛의 연쇄증폭반응을 보이는 '나노입자 광사태 현상' 세계최초 발견 – 네이처紙 표지 장식
- 서영덕 교수 (화학공학/고분자학부 성대-화학연 학연교수) 연구팀과 미국/폴란드 공동연구팀 연구, 

세계 최고 권위지 Nature지(IF=42.8)의 2021년 1월 14일자 표지논문(Cover Article)으로 선정
- 바이오 의료 분야, 첨단 IoT 분야, 신재생 에너지 분야 등 광사태 나노입자 활용해 미래 신기술 상용화 앞당길 것으로 기대 

[그림1] Nature 誌 전면 표지논문 (Front Cover)
 ○ 2021년 1월 14일자(영국시간) 전면 표지 논문으로 게재

- 공동 교신저자: 화학공학/고분자공학부 서영덕 성대-화학연 학연교수(GRL사업의 한국측 책임자), 미국 컬럼비아대학 P. James Schuck 교수 (GRL사업의 미국측 책임자) 등  
- 단독 제1저자: 이창환 미국 컬럼비아대학 박사과정생 (2020년 5월~8월 서영덕 교수 실험실의 방문연구생).

- 공저자: 남상환 책임연구원 (한국화학연구원)

나노 물질에 작은 빛 에너지를 쏘여주면 물질 내에서 빛의 연쇄증폭반응이 일어나 더 큰 빛 에너지를 대량 방출하는 ‘나노입자 광사태 현상(Photon Avalanche)’이 세계 최초로 발견돼 네이처지 표지 논문에 선정됐다. 

 ○ 일반적으로 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 물질에서는 상향변환이 일어난다. 즉, 작은 에너지의 빛을 흡수해서 더 큰 에너지의 빛을 방출한다.

 ○ 상향변환이 일어나는 나노입자(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 에너지기술 등에 활용 가능성이 높아 최근 활발하게 연구가 진행되고 있다.

 ○ 그러나 상향변환 나노입자(UCNP)는 광변환 효율*이 1% 이하로 매우낮기 때문에 현재 상용화되지 못하고 있다. 이런 걸림돌을 해결할 수 있는 특별한 상향변환 나노 입자인 ‘광사태 나노입자’가 처음으로 발견된 것이다. 연구팀이 발견한 광사태 나노입자는 광변환 효율을 기존 상향변환 나노입자의 1%보다 매우 높은, 40%까지 높일 수 있다.
      * 들어간 빛의 양(빛의 세기) 대비 나온 빛의 양(빛의 세기). 즉, 강한 세기의 빛은 빛의 양이 많고, 약한 세기의 빛은 빛의 양이 적다.

화학공학/고분자공학부 서영덕 성대-화학연 학연교수 연구팀은 미국/폴란드 연구팀과의 공동 연구로, ‘툴륨(Tm)’이라는 원소를 특정한 원자격자 구조를 가진 나노입자로 합성하면, 작은 에너지의 빛을 약한 세기로 쪼여도 빛이 물질 내부에서 연쇄적으로 증폭 반응을 일으켜 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출한다는 현상을 발견했다. 연구팀은 이러한 광학적 연쇄증폭반응을 일으키는 나노입자가, 마치 빛이 눈사태를 일으키는 모습과 비슷하다는 점에 착안해 ‘광사태 나노입자’(Avalanching Nano Particle: ANP)라고 새롭게 이름 붙였다. 본 내용은 ”광사태 나노입자로부터의 거대 비선형 광학 반응(Giant Nonlinear Optical Responses from Photon-Avalanching Nanoparticles)“ 제목으로, 영국시간 2021년 1월 14일자 네이처紙(I.F.=42.8)의 표지논문에 선정됐다.

 ○ 연구팀이 발견한 이 현상은, 일단 빛이 나노 입자에 여러 번 다중으로 흡수되면, 나노입자를 구성하는 원자 격자 구조 속에서 빛의 연쇄증폭반응이 일어나 다시 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출하는 비선형 광학현상이다. 따라서 광사태 나노입자에 레이저 포인터 수준의 약한 세기의 작은 에너지 빛만 쪼여줘도 강한 세기의 빛을 더 큰 에너지로 변환시켜 방출할 수 있다. 연구팀은 이 새로운 현상의 발견을 통해, 빛으로 보기 힘든 매우 작은 25nm 크기의 물질을 높은 초고해상도로 관측하는 데 성공했다*.
      * 빛으로 볼 수 있는 물질의 해상도는 한계가 있다. 가시광선 파장인 400nm~700nm 이하 크기의 물질은 고해상도로 보기가 매우 어려운데, 400nm 이하의 크기도 빛으로 볼 수 있도록 하는 광학 분야를 초고해상도 나노스코피 이미징이라고 한다. 이 분야는 2014년 노벨화학상을 수상한 분야<http://dongascience.donga.com/news/view/5283>로서, 현대광학 분야에서 중요한 의미를 지닌다. 연구팀은 광사태 나노입자의 국소 형광 방출 효과를 이용해, 더욱 간단하게 초고해상도 나노스코피 이미징을 구현하여 이번 논문에 발표했다. 

 ○ 후속연구와 관련해 본 표지논문의 공동교신저자인 서영덕 학연교수와 미국 컬럼비아대학의 P. James Schuck 교수는 최근 세계적인 권위의 고든컨퍼런스(Gordon Research Conference)에서 상향변환 나노입자(Upconverting Nanoparticle) 분야의 Conference를 처음으로 공동창립하여 올해 6월 하순에 미국에서 첫 컨퍼런스를 개최할 예정이다.

서영덕 교수는 “이번 ‘나노입자 광사태 현상 발견’은 빛을 활용하는 모든 산업과 기술에 광범위하게 쓰일 수 있어 향후 미래 신기술로 활용될 가능성이 크다.”고 밝혔다. 

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

[그림2] 툴륨 이온(Tm3+)이 도핑된 나노입자 내부에서의 빛의 광사태(PA: Photon Avalanche) 연쇄증폭반응의 메커니즘

[그림3] 광사태 나노입자 기반 단일광선(Single-beam) 초고해상도 나노스코피 이미징

[그림4] 미국 방문연구 당시 서영덕 교수와 James Schuck 교수 사진