KIST, 근적외선→가시광선 초고효율 변환기술 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 국내 연구진이 근적외선을 가시광선으로 바꿔주는 기술을 개발했다. 파장변환 효율을 크게 높인 동시에 투명유연 기판에 쉽게 전사할 수 있는 물질을 설계함으로써 실제 응용 가능성을 높인 것이 특징이다.

24일 한국과학기술연구원(KIST) 나노포토닉스연구센터 권석준 박사 연구팀은 경희대 응용화학과 고두현 교수 연구팀과 함께 근적외선을 가시광선으로 파장변환해 시각화 할 수 있는 다기능성 광필름을 개발했다고 발표했다.

연구결과는 재료공학분야 국제저명학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials)' 최신호에 실렸다.

눈에 보이지 않는 적외선이나 자외선을 가시광선으로 변환하면 보다 직관적인 방법으로 다양한 곳에 활용할 수 있다.

퀀텀닷(양자점)은 자외선을 가시광선으로 바꿔 디스플레이에 이용하는 일종의 파장변환 기술이며 열화상 카메라, 바이오센서 등에 활용되는 적외선도 가시광선으로 변환하면 응용의 폭을 넓힐 수 있다. 근적외선은 상대적으로 날씨가 안 좋거나 어두운 환경에서도 신호로 작용할 수 있으며, 3차원 이미징을 가능하게 해 준다.

하지만 자외선처럼 주파수가 높은 대역에서 낮은 대역으로 변환하는 하향 변환과 달리 주파수를 높여야 하는 상향 변환은 상대적으로 어렵다. 에너지가 낮은 근적외선을 에너지가 높은 가시광선으로 바꿔야 하기 때문이다. 근적외선을 가시광선으로 변환하는 효율은 퀀텀닷의 1/100~1/1000 수준으로 매우 낮다.

KIST 연구진은 근적외선-가시광선 파장변환의 근본적인 저효율성을 개선하는 동시에, 실생활로의 응용성을 확대하기 위해 독특한 구조의 나노 구조체를 설계했다. 수 마이크로미터 크기의 산화 실리콘(실리카) 구체를 바둑판 모양의 격자로 배열하고, 표면에 파장변환 나노물질과 금속 구조체(은나노입자)를 덧입힌 새로운 구조를 만들었다.

이 구조를 통해 근적외선의 흡광과 가시광선의 발광을 동시에 극대화시켜 근적외선-가시광선 파장변환 효율을 기존 대비 1천배 가까이 증폭시킬 수 있었다.

특히 연구진이 개발한 물질은 다양한 투명 유연 필름에 쉽게 전사할 수 있어 응용 가능성을 높였다. 구체가 박막에 비해 접촉면적을 극소화할 수 있다는 장점을 활용해 원하는 기판에 대량으로 전사할 수 있는 공정을 개발하고, 이를 통해 투명하면서 접거나 휘거나 돌돌 말 수 있는 기판에 전사하는데 성공했다. 전사된 물질은 발광 세기가 거의 변하지 않았으며, 특히 세제를 이용한 세탁 후에도 파장변환된 빛의 세기가 보존됐다.

권석준 박사는 “현재 적외선을 활용한 센서는 한 종류의 데이터만 수집할 수 있는 수준이지만 이 기술을 활용하면 다양한 종류의 데이터를 한 번에 수집, 이미지화할 수 있다”면서 “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 것"으로 기대했다.

◇논문명 : A Multi-Functional Highly Efficient Upconversion Luminescent Film with an Array of Dielectric Microbeads Decorated with Metal Nanoparticles

◇저자 : 여선주 한국기계연구원 선임연구원, 안인환 경희대 응용화학과 석사과정, 정기남 한남대 기계공학과 조교수(이상 제1저자), 권석준 KIST 책임연구원, 고두현 경희대 응용화학과 부교수(이상 교신저자)