상향변환(upconversion) 현상은 낮은 에너지를 갖는 광자를 연속적으로 흡수하여 더 큰 에너지를 갖는 광자를 방출하는 현상으로, 햇빛에 풍부하게 존재하는 적외선 빛을 가시광선으로 변환하여 태양전지의 효율을 높이거나, 생체투과성이 높은 적외선 빛을 뇌조직 내부에서 가시광선으로 전환하여 효과적인 광자극을 주는 등 지난 반세기 동안 다양한 응용 분야에서 꾸준한 관심을 이끌어왔다.

상향변환 현상은 무기체 호스트 물질(inorganic host material)에 도핑된 란탄족 이온(Ln3+)에서 발생하며, 호스트 물질과 란탄족 이온 간의 복잡한 상호작용의 결과로 상향변환 효율 및 발광 스펙트럼이 결정된다. 하지만상향변환 효율과 스펙트럼 순도가 낮아, 이를 극복할 수 있는 새로운 호스트 물질의 개발이 요구된다.

공과대학 화학공학/고분자공학부김동환 교수 연구팀은 레이저를 이용해 호스트 물질을 액화-급랭(liquid-quenching)시켜 단거리 배열(short range order, 1st coordination order)이 존재하지 않는 새로운 호스트 물질을 개발함으로써, 란탄족 이온과의 상호작용을 극대화하였으며, 이를 통해 단일 파장대역에서만 발광하는 고효율의 상향변환 물질을 개발하는데 성공했다.

본 연구 결과는 자연계에서 안정적인 배열을 갖는 기존 호스트 물질들의 재료적 한계를 극복하였기에 큰 의미를 가진다. 본 연구에서 개발된 물질은 첨단 레이저 분야 및 광집적회로 소자 분야 등에 활용될 예정이다.

한국연구재단의 지원으로 수행된 본 연구는 그 중요성을 인정받아 재료과학(material science) 분야의 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials, IF 19.791)에 표지논문으로 선정되었다. (2018.06.20.)