이웃집과학자

적외선은 눈에 보이지 않는 빛임에도 활용도가 높아 열화상 카메라, 바이오 센서 등 다양한 분야에서 이용되고 있습니다. 국내 연구진이 이러한 적외선을 시각화하여 응용의 폭을 넓히는 기술을 개발했습니다. 한국과학기술연구원 (KIST) 나노포토닉스연구센터 권석준 박사 팀이 경희대학교 응용화학과 고두현 교수와의 공동 연구를 통해 근적외선을 가시광선으로 파장변환해 시각화 할 수 있는 다기능성 광필름을 개발했습니다. 이 연구는 <Advanced Functional Materials>에 게재됐습니다. 

눈에 보이지 않는 적외선이나 자외선을 가시광선으로 변환하면 빛에 담긴 데이터를 직관적으로 볼 수 있게 돼 디스플레이나 이미지용으로 활용할 수 있게 됐습니다. 최근 고화질 TV에 쓰이고 있는 퀀텀닷(양자점)도 자외선을 우리 눈에 보이는 가시광선으로 바꿔 디스플레이에 이용하는 일종의 파장변환 기술로 볼 수 있습니다. 

자외선의 경우 큰 에너지를 갖고 있으므로 가시광선으로 변환하기가 상대적으로 쉽고 변환 효율이 높습니다. 하지만 에너지가 낮은 근적외선의 경우 두 개 이상의 광자를 흡수해 한 개의 높은 에너지를 갖는 광자로 바꿔야 하기 때문에 근적외선을 가시광선으로 변환하는 효율은 퀀텀닷의 1/100~1/1000 수준으로 매우 낮다는 문제점이 있었습니다. 이는 센서, 디스플레이, 이미징 등 다양한 분야로 응용될 수 있는 근적외선-가시광 변환 특성을 보다 현실적으로 만드는 데 큰 걸림돌이었습니다.  

• 파장변환: 파장이 짧은 자외선을 파장이 상대적으로 긴 가시광선으로 하향변환(downcoversion)하거나, 파장이 긴 근적외선을 상대적으로 짧은 가시광선으로 상향변환(upconversion)하는 변환 과정입니다.
• 광자(photon) : 기본입자의 일종으로, 가시광선을 포함한 모든 전자기파를 구성하는 양자이자 전자기력의 매개입자입니다.
• 근적외선 : 적외선 중 파장이 가장 짧은 것입니다.

KIST 연구진은 수 마이크로미터 크기의 산화 실리콘(실리카) 구체를 바둑판 모양의 격자로 배열하고, 실리카 구체 표면 위에 파장변환 나노물질과 금속 구조체를 형성시켰습니다. 이 구조를 통해 근적외선의 흡광과 가시광선의 발광을 동시에 극대화시켜 근적외선-가시광선 파장변환 효율을 기존 대비 1,000배 가까이 증폭시킬 수 있었습니다. 특히 연구진이 개발한 실리카 마이크로 구체의 격자 배열은 투명 필름으로 쉽게 전사(transfer)할 수 있고, 그 필름을 접거나 휘게 만들고 심지어 세제로 세탁해도 파장변환된 빛의 세기가 보존됨을 확인했습니다.

본 연구를 주도한 KIST 권석준 박사는 "현재 적외선을 활용한 센서는 한 종류의 데이터만 수집할 수 있는 수준인데 이 기술을 활용하면 다양한 종류의 데이터를 한 번에 수집, 이미지화할 수 있다"며 "접기, 세탁성, 다른 필름으로의 전사 용이성 등 다양한 공정상 장점이 있어 폴더블 기기, 웨어러블 센서나 유연한 파장변환 이미징 장치 등 다양한 분야로 응용이 확장될 수 있을 것으로 기대하고 있다"고 밝혔습니다. 

##참고자료## 

• Ahn, In‐Hwan, et al. "A Multi‐Functional Highly Efficient Upconversion Luminescent Film with an Array of Dielectric Microbeads Decorated with Metal Nanoparticles." Advanced Functional Materials (2020): 1909445.