UNIST·기계연구원, 메타물질 개발
쉽고 저렴한 공정으로 대량생산 가능
생체분자·유해물질·가스센서 등에 응용
쉽고 저렴한 공정으로 대량생산 가능
생체분자·유해물질·가스센서 등에 응용

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 적외선을 이용한 성분 분석 기술의 민감도를 120배 높일 수 있는 메타물질을 개발했다. 검사하는 물질의 특성 신호를 최대한 증폭시켜 쉽게 검출할 수 있는 원리다. 연구진은 이 물질을 이용해 초소형화 및 대량생산이 가능한 센싱 플랫폼을 만들어 차세대 생체분자, 유해물질, 가스 센서 등에 응용할 수 있다고 설명했다.
울산과학기술원(UNIST)전기전자공학과 이종원 교수팀과 한국기계연구원 정주연 박사팀은 적외선 분광분석의 검출 신호를 키우는 메타물질을 개발했다고 5월 31일 밝혔다. 이 메타물질은 표면에 빛 파장 길이보다 작은 초미세구조가 배열된 특수 기능성 물질이다.
물질의 분자가 적외선의 특정 주파수만 흡수하는 특성을 활용하면 반사된 빛의 패턴을 읽어내 샘플에 포함된 물질 종류를 알 수 있다. 분석하려는 샘플속에 국미량의 물질이 포함된 경우, 검출 신호인 빛 세기차가 거의 없어 읽기 힘들다. 이는 세기가 1인 빛을 단일분자층에 쪼였을 때 0.003밖에 흡수하지 못하는 수준이다.
연구진은 메타물질을 화학물질 'ODT'를 이용해 검출 실험했다. 그결과, 단일분자층의 중적외선 흡수를 0.36까지 끌어 올렸다. 이는 메타물질이 없을 때 보다 120배 이상 향상된 성능이며, 기존 메타물질을 이용한 기술과 비교해도 3배 이상 향상됐다.
UNIST 황인용 연구원은 "이번에 개발된 메타물질은 2.8nm(나노미터) 두께의 단일분자층 검출 실험에서 36%의 반사차이라는 기록적인 검출 신호를 얻었다"며 "단일분자층 검출 실험에서 최고 기록"이라고 설명했다.
특히 개발된 메타물질은 대량 제조가 쉽고, 제조 공정도 저렴하다. 기존 메타물질은 표면에 미세구조를 만들기 위해서 고가의 고해상도 빔 리소그래피가 필요했으나 이번에 개발된 메타물질은 간단한 나노 임프린트 공법과 건식 식각 공정을 써 제조할 수 있다.
이 기술은 메타물질 표면 미세구조가 빛을 에너지를 모았다가 이를 한 번에 분자에 쏘아줘, 분자가 흡수하는 빛의 양을 늘리는 원리인 근접장 강화 효과를 쓴다.
연구진은 근접장 세기는 더 강화하고, 검출 분자가 근접장에 최대한 노출되는 미세구조를 설계해 검출신호 증폭 효과를 더 키웠다.
이 미세구조는 금속-절연체-금속 순서대로 쌓인 십자모양을 이룬다. 가운데 절연체의 두께가 10 나노미터로 얇아 상부 금속층과 하부 금속층 사이에서 더 강한 근접장 효과가 생긴다. 또 절연체만 안쪽으로 깎아내 만든 금속 층간의 간격을 통해 검출 분자가 근접장에 최대한 노출될 수 있도록 했다. 절연체가 깎여 들어간 공간으로 분자가 들어갈 수 있기 때문이다.
기계연구원 정주연 박사는 "금속-절연체-금속 순으로 얇게 쌓은 뒤, 나노 임프린트 공법으로 위에 쌓인 금속과 절연체를 원하는 모양으로 뜯어낼 수 있다"며 "여기에 절연체를 깎는 건식 식각 공법을 더해 미세구조가 배열된 메타물질을 대량으로 만들 수 있다"고 설명했다.
이종원 교수는 "수직 방향의 갭 구조를 만들어 근접장 세기 강화와 근접장 노출 문제를 동시에 해결한 최초의 연구"라고 말했다.
이번 연구결과는 와일리(Wiley)에서 출판하는 세계적인 학술지인 '스몰 메소드(small methods)'에 5월 13일자로 공개돼 출판을 앞두고 있다.
monarch@fnnews.com 김만기 기자
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