UNIST 연구진이 수분에 반응해 발광 세기가 달라지는 상향변환 나노입자 기반 광소재를 개발했다. 건조 상태에서는 강하게 빛나고, 물을 머금으면 발광이 약해지는 특성을 활용해 보안 정보 표시와 습도 감지 등에 응용할 수 있는 소재다.

UNIST 에너지화학공학과 이지석 교수팀과 바이오메디컬공학과 박정훈 교수팀은 건조 상태에서 수분을 머금은 상태보다 7배 이상 밝게 빛나는 상향변환 나노입자 기반 소프트 광소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

이 소재는 하이드로젤 돔 안에 상향변환 나노입자를 배치한 구조다. 상향변환 나노입자는 근적외선을 받으면 사람이 볼 수 있는 가시광선으로 바꾸는 특성을 가진다. 연구진은 나노입자를 기름 방울 안에 넣고, 이를 다시 하이드로젤 돔 내부에 가둬 빛의 이동 경로를 조절했다.

이 구조에서는 근적외선이 하이드로젤 밖으로 바로 빠져나가지 않고 기름 방울 사이에서 산란된다. 빛이 내부에 머무는 시간이 길어지면서 나노입자의 근적외선 흡수 기회가 늘어나 발광 강도가 높아진다. 반대로 수분이 유입되면 산란 효과가 줄어 발광이 약해진다.

연구진은 이 특성을 활용해 수분 반응형 보안 기술과 QR 코드 인식 기술을 시연했다. 상향변환 나노입자로 만든 문자와 이미지를 밝은 하이드로젤 돔 아래 배치하면, 건조 상태에서는 보이지 않다가 물을 머금었을 때 드러난다. QR 코드는 건조 상태에서만 밝기 차이로 인식되고, 수분이 유입되면 코드가 사라지는 방식으로 구현됐다.

소재의 반복 안정성도 확인됐다. 물을 머금었다가 다시 마르는 과정을 100회 이상 반복해도 밝은 상태의 변화는 4% 미만이었다. 물이 닿은 뒤 0.1초 이내에 발광 감소가 시작되는 등 응답 속도도 빨랐다.

제1저자인 류채영 연구원은 “상향변환 나노입자 자체를 복잡하게 바꾸지 않고도 하이드로젤 내부에서 빛이 이동하는 경로를 설계해 발광을 높인 기술”이라고 설명했다.

이지석 교수는 “나노입자의 발광 색상과 하이드로젤 돔 패턴을 조절할 수 있고 제조 공정도 단순해 보안 기술뿐 아니라 웨어러블 센서와 디스플레이 등으로 확장할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)에 4월 20일 게재됐으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.