▲ NIST 연구진이 개발한 수분 반응형 발광 소재 구조 모식도. 하이드로젤 내부에 상향변환 나노입자를 배치해 건조 상태에서는 밝게 빛나고, 수분을 머금으면 발광 세기가 약해진다.

국내 연구진이 물 한 방울만으로 빛의 세기를 조절할 수 있는 수분 반응형 발광 소재를 개발했다. 물을 머금으면 빛이 약해지고 다시 마르면 밝아지는 특성을 구현해 차세대 보안 기술과 웨어러블 센서, 스마트 디스플레이 분야 활용 가능성을 열었다.

UNIST는 에너지화학공학과 이지석 교수팀과 바이오메디컬공학과 박정훈 교수팀이 건조 상태에서 수분을 머금은 상태보다 7배 이상 밝은 상향변환 나노입자 기반 소프트 광소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

이번에 개발된 소재는 작은 하이드로젤 돔 안에 상향변환 나노입자를 담은 구조다. 이 나노입자는 눈에 보이지 않는 근적외선을 받으면 가시광선을 내는데, 연구진은 돔 내부에 기름 방울 형태로 나노입자를 배치해 빛이 내부에 더 오래 머물도록 설계했다. 덕분에 나노입자가 근적외선을 더 많이 흡수할 수 있어, 일반 소재보다 최대 7배 밝은 발광이 가능해졌다.

반대로 물이 닿아 하이드로젤이 수분을 머금으면 내부 빛의 움직임이 달라지면서 발광 세기가 빠르게 약해진다. 즉, ‘마르면 밝아지고 젖으면 어두워지는’ 가역적 광 반응 특성을 구현한 것이다.

연구팀은 이 원리를 활용해 수분 반응형 광학 암호 기술도 시연했다. 밝게 빛나는 하이드로젤 층 아래 문자나 그림을 숨겨두면 평소에는 보이지 않다가, 물이 닿으면 위층 빛이 약해지면서 숨겨진 정보가 드러난다. 반대로 QR코드는 건조 상태에서만 인식되고, 물을 머금으면 사라지도록 구현해 새로운 형태의 위조방지 기술 가능성도 제시했다.

내구성도 확보했다. 물을 머금으면 어두워지고 다시 마르면 밝아지는 과정을 100회 이상 반복해도 밝기 변화가 4% 미만에 그쳤고, 물 접촉 후 0.1초 이내 발광 변화가 시작되는 빠른 응답성을 보였다.

제1저자인 류채영 연구원은 “상향변환 나노입자 자체를 복잡하게 바꾸지 않고도 하이드로젤 내부의 광 경로 설계만으로 발광을 크게 높인 기술”이라고 설명했다.

이지석 교수는 “발광 색상과 하이드로젤 패턴을 자유롭게 설계할 수 있고 제조 공정도 단순해 위조방지뿐 아니라 웨어러블 센서, 스마트 디스플레이 등 다양한 산업으로 확장 가능하다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구 결과는 세계적 학술지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)에 4월 20일 게재됐으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.