수분을 머금으면 빛이 약해지는 복합 광소재가 나왔다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이지석 교수팀과 바이오메디컬공학과 박정훈 교수팀이 건조 상태에서 수분을 머금은 상태보다 7배 이상 밝은 상향변환 나노 입자 기반 소프트 광소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

이 소재는 하이드로젤 돔 안에 상향변환 나노 입자들이 박힌 형태다. 상향변환 나노 입자는 근적외선을 흡수해 우리가 볼 수 있는 가시광선으로 변환해 발광한다.

일반적으로 상향변환 나노 입자에서 나오는 가시광선은 어둡지만, 연구팀이 개발한 소재는 7배 정도 더 밝다.

이는 나노 입자들이 기름방울에 갇혀 있고, 기름방울은 돔 형태로 굳힌 하이드로젤 안에 갇힌 구조 덕분이다. 이 구조에서는 근적외선이 하이드로젤 돔 안에서 곧장 빠져나가지 못하고, 기름방울 사이에서 산란하면서 오래 머물게 된다.

그만큼 상향변환 나노 입자가 근적외선을 흡수할 기회가 늘고, 가시광선 발광도 강해진다.

반대로 하이드로젤이 수분을 머금게 되면 빛이 흩어지는 정도가 줄고, 내부에 머무는 근적외선도 줄어들어 발광이 약해진다.

연구팀은 이 소재로 물이 닿으면 숨겨진 근적외선 정보가 드러나는 암호 기술과 QR 코드 인식 기술을 시연했다.

연구팀은 먼저 상향변환 나노 입자로 글자, 그림 등을 만들고, 그 위를 밝게 빛나는 하이드로젤 돔으로 덮었다. 글자와 그림은 건조 상태에서는 근적외선을 비춰도 돔의 강한 빛에 가려져 보이지 않았지만, 물이 닿으면 돔 빛이 약해져 드러났다.

연구팀은 또 밝게 빛나는 하이드로젤 돔 영역과 어두운 고분자 영역을 조합해 QR 코드를 만들었다. 건조 상태에서는 근적외선을 비췄을 때 두 영역 밝기 차이로 QR 코드가 드러나지만, 물을 머금으면 돔 발광이 약해져 코드가 사라지는 원리다.

이 소재는 수분을 머금어 어두워지고 마르면 다시 밝아지는 과정을 100회 이상 반복해도 밝은 상태에 변화가 4% 미만에 그쳤다.

응답성도 빨라 물이 닿으면 0.1초 안에 밝기가 약해지기 시작했고, 수 초 안에 눈에 띄게 어두워졌다.

제1저자인 류채영 연구원은 "나노 입자 자체를 복잡하게 바꾸지 않고도 하이드로젤 내부에서 빛이 이동하는 길을 설계해 발광을 크게 높인 기술"이라고 설명했다.

이지석 교수는 "나노 입자 발광 색상과 하이드로젤 돔 패턴을 자유롭게 프로그래밍할 수 있고, 제조 공정이 단순하다"며 "보안 기술이나 습도 감지 웨어러블 센서, 환경 반응형 스마트 디스플레이 등 다양한 산업으로 확장할 수 있을 것"이라고 말했다.

과학기술정보통신부 한국연구재단 지원을 받은 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'(Advanced Functional Materials)에 4월 20일 게재됐다.