Photon avalanching(PA) 광사태 현상이란?

 한국과 미국/폴란드 공동연구팀이 '광사태'를 주제로 세계 최고의 저널인 네이처에 영국시간으로 21년 1월 14일에 표지논문으로 출판하였다. 광학적 연쇄증폭반응을 일으키는 나노입자를 ‘광사태 나노입자 (Avalanching Nano Particle: ANP)’로 새롭게 명명하고, ”광사태 나노입자로부터의 거대 비선형 광학 반응(Giant Nonlinear Optical Responses from Photon-Avalanching Nanoparticles)“로 표지 출판.

 

 여기서 주목할 점은 서영덕 교수(성균관대학교 화학공학/고분자 공학부 성대-화학연 학연교수) 연구팀과 미국/폴란드 공동연구팀으로서 한국 연구팀이 공동 교신저자로 있는 것보다 단독 제1저자가 한국인인 '이창환'씨로 미국 컬럼비아대학 박사과정생이라는 것이다.

 

source : NATURE

 

 한국 언론에선 단독 1 저자에 관한 덧붙임은 없어서 개인적으로 아쉽다는 생각이 든다. 아직 박사과정이라 그런가? 교수님을 비롯한 연구팀 역시 뛰어나지만, 1 저자에 대한 얘기없이 모든 성과를 이뤘다는 듯이 비추는 모습이 개인적으로 조금 아쉽다. 뭐 그래 봤자 어차피 전문가를 비롯한 업계 내 사람들은 다 알아보겠지만, 평범한 사람들은 찾지 않으면 그냥 모를 일이라 언론에서 같이 언급을 좀 더 많이 해줬으면 어땠을까하는 그냥 개인적인 아쉬움?

 

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 'Photon avalanche(PA ; 광사태)'란 빛과 눈사태를 결합한 말로서, 눈이 점점 내려올수록 규모가 커지는 눈사태와 같이 적은 빛을 넣었을 때 그 빛이 증폭해 에너지가 더욱 커지는 현상을 말한다.

 

 광사태는 원래 자연에 존재하던 현상으로, 약 40년 전 Pr3+가 도핑된 결정에서 처음으로 관찰됐다.

 

 이 현상이 특이한 이유는 보통 큰 에너지를 가진 빛이 물질에 흡수되면 열에너지로 일부가 소모되고, 나머지 작아진 에너지가 다시 빛으로 변환되어 방출된다. 이를 '하향 변환'이라고 부른다.

 

 반면 광사태를 비롯해 이 논문에서 다루는 '상향 변환 나노입자(Upconverting Nanoparticle=UCNP)'는 하향 변환과 달리 나노입자에서 작은 에너지의 빛이 흡수된 뒤, 안에서 빛 에너지들이 결합하며 더욱 큰 에너지의 빛을 방출하게 되는 현상이다.

 

 기존에도 이러한 연구가 진행됐으나, 광변환 효율이 1% 정도로 매우 낮았고, 다중 흡수 및 방출을 위해선 굉장히 강한 레이저를 사용해야 했다. 이는 가격, 안전성 등 문제로 상용화엔 어려움이 있었다.

 

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 하지만 이번 연구에서는 광변환 효율이 40%. 빛 100개를 나노입자에 넣으면 40개가 나온다고 보면 된다. 게다가 단순히 빛이 나오는 게 아니라 2~3배 빛의 크기가 증폭되어 더 밝게 나오는 것이다. 획기적인 효율 + 나노 사이즈에서 발견한 것은 이번이 처음이다.

 연구진은 톨륨 이온(Tm3+)이 도핑된 나노입자를 이용하였다. 톨륨 이온의 도핑 농도는 8% 이상이어야 했고, 기존과 달리 '바닥상태 광흡수(ground-state absorption ; GSA)'가 일어나고, 또 한 번 '여기상태 광흡수(Excited State Absorption ; ESA)'가 일어난다. 이후 'Cross-relaxation(툴륨 이온-툴륨 이온 사이의 교차 안정화 과정)'이 일어나면서 광사태 현상이 일어나는 것으로 보인다.

 

source : Nature | Vol 589 | 14 January 2021 |

 

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 광사태 현상은 대표적으로 태양전지와 자율주행에 큰 영향을 줄 것으로 보인다. 우선 실리콘 태양전지와의 여전히 남아 있는 4~5% 정도의 광전환 효율을 조금 더 높일 수 있을 것으로 보이며, 페로브스카이트 태양전지 연구팀과 함께 전지의 효율을 높이는 응용 연구를 진행할 계획이라고 한다.

 

 자율주행에선 라이다 센서에 중요한 역할을 할 것으로 보인다. 자율주행에서 주변에 있는 사물들을 인식하기 위해선 자동차 윗부분에 라이다를 달아놓는다. 라이다는 광원이 약 900㎚부터 한 1,500㎚까지의 근적외선 분야의 레이저를 멀리 쏴서 약, 달리면서 300m 범위에 있는 장애물이나 사람, 다른 차들을 감지한다.

 

 이때 되돌아오는 것을 감지하는 검출기에 들어가는 재료는 화합물 반도체인 인듐갈륨비소를 사용한다. 이는 굉장히 비싸서 상용화에 어려움이 있다.

 

 만약 광사태를 이용한다면 긴 파장의 빛을 받아들여서 짧은 파장으로 바꿔주는, 즉 작은 에너지의 빛을 받아들여서 큰 에너지 빛으로 변환시켜 주는 소재를 혼용해서 쓰게 되면 자율주행 자동차에 쓰는 라이다의 검출을 보다 용이하고, 그리고 싼 값에 할 수 있는 기초 원천기술로도 활용될 수 있을 것이라고 보인다.

 

광사태 나노입자 세계 최초 발견 관련 설명

 

 즉, '광사태'란 나노입자를 이용해 작은 에너지의 빛이 들어오면, 더 큰 에너지 빛으로 변환시켜주는 것을 말하며, 적은 에너지를 크고 많은 에너지로 변환시켜주기 때문에 전지를 비롯한 에너지 효율을 끌어올릴 수 있다.