일본 규슈대학교 연구팀이 자연광 조건에서 가시광선을 자외선으로 변환할 수 있는 새로운 형태의 고체 분자물질을 개발했다고 최근 발표했다. 실외 태양광 하에서 1.9%의 가시-자외선 상향 변환 효율을 달성했는데, 이는 고체 광자 상향 변환 및 분자 자기 조립 연구 분야에서 중요한 이정표로 간주됩니다. 관련 결과는 2026년 6월 23일 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 게재됐다.
연구자들은 이 과정이 “양자 세계에서 따뜻한 물 두 컵을 함께 부어 끓는 물 한 컵을 얻는 것”과 비슷하다는 점을 생생하게 지적했다. 거시적인 일상생활에서는 일어날 수 없는 일들이 미세한 광자 수준의 양자 과정을 통해 실현될 수 있다는 점이다. 이 연구에서는 두 개의 저에너지 가시광선 광자가 "힘을 합쳐" 고에너지 자외선 광자를 형성함으로써 빛 에너지의 "업그레이드된 활용"을 달성할 수 있습니다.
자외선은 공기 정화, 3D 프린팅 레진 경화, 치과 충전재, 네일 광중합 등의 분야에서 핵심적인 역할을 합니다. 그러나 자연 햇빛에서 자외선은 지구 표면에 도달하는 총 태양 복사량의 약 6%만을 차지하며 기술로 활용할 수 있는 부분은 극히 일부에 불과합니다. 큐슈대학교 팀의 목표는 "광자 상향 변환" 기술을 사용하여 원래 풍부했던 가시광선 자원을 더 많은 응용 가치를 지닌 자외선으로 변환하여 자외선에 의존하는 다양한 기술에 더 저렴하고 안전한 광원을 제공하는 것입니다.
이 연구에서는 "삼중항-삼중항 소멸"(TTA)이라는 광자 상향 변환 메커니즘을 사용했습니다. 구체적으로, 시스템에서 "공여체" 분자는 먼저 가시광선을 흡수하고 전자는 고에너지 삼중항 상태로 전환됩니다. 그런 다음 에너지는 근처의 "수용체" 분자로 전달되어 수용체의 삼중항 상태 여기를 형성합니다. 두 삼중항 상태가 공간에서 만나 "소멸"되면 중첩된 에너지는 자외선 광자 빔의 형태로 방출됩니다. 이 솔루션은 분자가 용액 내에서 자유롭게 움직일 수 있어 삼중항 충돌에 더 도움이 되기 때문에 액체 시스템에서 구현하기가 상대적으로 쉽습니다. 그러나 액체 시스템은 독성 용매에 의존하는 경우가 많고 휘발 문제가 있어 실제 응용 분야의 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 따라서 효율적인 고체 재료는 항상 이 분야에서 "성배"였습니다.
고체 상태에서는 분자가 촘촘하게 배열되어 있고 분자면 위와 아래의 π 전자 구름이 강하게 겹쳐지기 쉬우므로 상향 변환이 이루어지기 전에 여기 상태 에너지가 소멸되어 시스템의 발광 효율이 크게 떨어집니다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 유기반도체 분자인 DHI(dihydroindenoindenedene)를 선택하고, 그 sp3 탄소원자에 사면체 배열로 알킬사슬을 도입해 입체장애를 통해 분자간 간격과 상대배향을 정밀하게 제어했다. 이러한 분자 설계를 통해 인접한 분자는 분자 간에 효율적으로 에너지를 전달할 수 있을 만큼 충분히 가까워지지만 적당히 "분리"된 상태를 유지하여 π 전자 구름의 과잉 결합과 엑시톤 소멸을 유발하는 것을 방지할 수 있습니다.
이러한 구조 공학 덕분에 새로운 물질은 고체 상태에서 밝은 발광, 긴 수명의 여기 상태 및 효율적인 에너지 전달을 나타내며 고체 형광 양자 수율은 60%를 초과합니다. 적응된 공여자 분자와 결합한 후, 시스템은 자연광 하에서 1.9%의 가시-UV 상향 변환 효율을 달성했습니다. 이는 흡수된 100개의 가시 광자 중 약 2개가 궁극적으로 UV 광자로 변환되었음을 의미합니다. 연구팀은 이 수치가 "눈부시게" 들리지는 않지만, 이는 대부분의 유사한 시스템이 집중된 빛이 필요 없이 높은 광도 조건에서 달성할 수 있는 수준을 넘어섰으며, 전적으로 자연광에 의존하고 견고한 재료라는 점을 지적했습니다.
응용 전망 측면에서 팀은 이 재료에 대한 특허 신청서를 제출했습니다. 이 물질의 합성 경로는 상대적으로 간단하고, 이에 의존하는 출발 원료는 저렴하여 향후 대규모 제조 및 산업화를 위한 기반을 마련합니다. 연구원들은 이 고체 상향 변환 플랫폼이 태양광 구동 광촉매, 실내 공기 정화 및 저조도 3D 프린팅에서 역할을 수행하여 일반 햇빛을 보다 "처리 가능한" 자외선 광원으로 변환할 것으로 기대하고 있습니다.
이번 성과는 10년 넘게 지속된 연구 계획의 결실이기도 하다. 2012년 초, 현재 규슈대학교 "부정방출 기술 연구 센터"의 명예 교수인 노부오 키미즈카(Nobuo Kimizuka)는 분자 자기 조립을 통해 재료에 새로운 기능을 부여하기를 희망하면서 삼중항 에너지 이동 및 광자 상향 변환을 달성하기 위해 자기 조립 시스템을 사용하는 방법을 연구하기 시작했습니다. 이후 몇 년간의 연구에서 그는 그의 팀을 이끌고 용액 및 겔 시스템 분야에서 일련의 진전을 이루었지만 여전히 효율적인 고체 시스템의 주요 어려움을 극복하지 못했습니다.
전환점은 2024년 5월이다. 대학원생 하라다 나오유키, 쇼야마 하야토, 누트니차 분몽, 당시 규슈대학 공학부 조교수였던 미즈카미 기이치 등이 사사키 요이치와 힘을 합쳐 짧은 시간 안에 다년간의 연구 축적을 집약해 마침내 이 작품을 완성했다. 팀원들은 퇴임을 불과 11일 앞두고 기미츠카 교수에게 논문의 최종 초안을 넘겼다고 회상했다. 이번 결과는 연구실에도 의미 있는 '은퇴 선물'을 주는 셈이다.
Kimizuka 교수는 이번 발견이 그의 팀이 14년 이상 연구한 결과의 정점일 뿐만 아니라 광자 상향변환과 분자 자기 조립 연구의 새로운 단계를 의미한다고 말했습니다. 이 새로운 고체 시스템의 도움으로 일반 햇빛을 사용하여 자외선의 "업그레이드된" 버전을 얻으려는 비전은 실험실 개념에서 실제 응용으로 점차 이동하고 있습니다.