과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)과 UNIST(총장 이용훈) 연구진이 유해물질이나 생체분자 검출 공정을 획기적으로 개선할 수 있는 메타물질을 개발하고, 연구 성과를 ‘스몰 메소드’지(small methods)에 발표했다.

기계연 나노공정장비연구실 정주연 책임연구원과 UNIST 전기전자공학과 이종원 교수 공동 연구팀은 검사 대상에 적외선을 조사해 성분을 분석하는 적외선 분광분석 검출 신호를 100배 이상 키우는 메타물질을 개발했다. 메타물질은 표면에 빛 파장보다 길이가 짧은 초미세구조가 배열된 특수 기능성 물질이다.

적외선 분광분석 검출은 검사 대상 물질의 분자가 적외선을 특정 주파수를 흡수하는 특성을 활용하여 반사된 빛의 패턴으로 성분을 확인하는 기법이다. 이때 검출하려는 물질이 극미량만 포함된 경우 검출 신호인 빛의 세기 차이가 거의 없어 읽어내기 힘들다.

하지만 이번에 개발한 메타물질을 활용하면 메타물질 표면의 미세한 구조가 빛 에너지를 모았다가 한 번에 분자에 조사함으로서 분자가 흡수하는 빛의 세기를 늘려준다. 그만큼 검출 신호가 증폭되어 작은 양으로도 뚜렷한 결과를 얻을 수 있다.

▲메타물질의 전자현미경 사진과 초미세구조체

➊한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질의 전자현미경 사진 이미지. 상부에서 보았을 때 십자 모형인 메타물질 미세구조체가 배열되어 있다.
➋한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질 미세구조체를 측면에서 바라본 모형도
➌한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질 구조를 나타낸 그림. 10㎚ 수준의 나노 갭(gap)이 형성된 것을 볼 수 있다.

메타물질은 금속과 절연체, 금속을 순서대로 쌓아 십자 모양으로 만들어졌다. 가운데 절연체 부분은 두께를 10 나노미터 수준으로 얇게 만들고 수평 방향으로 깎아 수직 갭을 형성하여 분자가 근접장에 최대한 노출 되도록 하여 분자의 빛 흡수가 늘어나도록 설계했다.

UNIST 전자공학과 황인용 연구원은 “이번에 개발한 메타물질은 2.8 나노미터 두께의 단일 분자층 검출 실험에서 36%의 반사차이라는 기록적인 검출 신호를 얻었다”며 “단일 분자층 검출 실험에서 최고 기록을 실험적으로 입증했다”고 말했다.

➊한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질 흡수체의 반사 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

위부터 아래 순서대로 수직 나노갭을 각각 30, 15, 10 나노미터로 만들어 측정한 결과다. 검은색 선은 메타물질 흡수체의 반사율을, 붉은색 선은 검출분자(ODT)가 포함되었을 때의 반사율을 나타낸다.

검출분자(ODT)가 포함된 붉은색 선은 증폭이 일어나지 않을 경우 푸른색 점선과 같은 곡선을  보여야하지만 특정 구간(3.4-3.5)에서 솟아오르며 신호가 증폭되는 것을 볼 수 있다. 두 값의 차이는 약 36%이다.

➋한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질을 활용하여 분자검출 신호를 측정한 스펙트럼

특히 이번에 개발한 메타물질은 대량으로 제조하기 쉽고 제조 공정도 경제적이다. 기존에는 메타물질 표면에 미세구조를 만들기 위해 고가의 고해상도 빔 리소그래피 공정이 필요했지만, 이번에 개발한 메타물질은 나노 임프린트 공법과 건식 식각 공정만으로 쉽게 제조할 수 있다.

기계연 정주연 책임연구원은 “나노 임프린트 공법을 활용하면 금속-절연체-금속 순으로 얇게 적층한 후 금속과 절연체를 원하는 모양으로 가공할 수 있다”며 “건식 식각 공정을 더하여 미세구조로 배열된 메타물질을 대량으로 만들 수 있다”고 말했다.

UNIST 이종원 교수는 “수직 방향의 갭 구조를 통해 근접장 세기 강화와 근접장 노출 문제를 동시에 해결한 최초의 연구”라며 “적외선으로 생체분자, 유해물질, 가스 등을 검출하는 센서 기술에 광범위하게 응용될 것”이라고 기대했다.

이번 연구결과는 와일리(Wiley)에서 출판하는 세계적 나노과학 분야 전문 학술지인 스몰 메소드(small methods)에 5월 13일 자로 발표됐다. 연구는 과학기술정보통신부 지원 글로벌프론티어 파동에너지극한제어연구단, 한국연구재단 나노소재기술개발 및 민군겸용기술개발 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.