UNIST·기계硏, 적외선 분광분석 신호 백배 이상 증가

수직갭구조로 근접장 세기 강화 및 근접장노출 문제 동시 해결

新메타물질, 유사 기술 중 최고 기록 ‘눈길’

UNIST 황인용 연구원(좌측)과 이종원 교수(우측)

적외선을 이용한 성분 분석 기술의 민감도를 백 배 이상 높일 수 있는 메타물질이 개발됐다. 검사대상에 포함된 물질의 특성 신호를 최대한 증폭시켜 검출이 쉽도록 돕는 원리다. 대량 제조가 가능하고 제조공정도 저렴한 다양한 생체분자와 유해물질 검출 등에 응용될 수 있을 전망이다.

UNIST 전기전자공학과 이종원 교수팀과 한국기계연구원 정주연 박사 연구팀은 빛(적외선)을 쪼여 샘플 성분을 분석하는 적외선 분광분석의 검출 신호를 키우는 메타물질을 개발했다. 메타물질은 표면에 빛 파장 길이보다 작은 초미세구조가 배열된 특수 기능성 물질이다. 초미세구조 디자인을 최적화해 기존 기술보다 3배 이상 향상된 신호 증폭 효과를 얻었다.

물질 분자가 적외선의 특정 주파수만을 흡수하는 특성(분자지문)을 활용하면 반사된 빛의 패턴을 읽어내 샘플에 포함된 물질 종류를 알 수 있다. 하지만 검출하려는 물질이 샘플에 극미량 포함된 경우 검출 신호인 빛 세기차가 거의 없어 읽어내기 힘들다. 세기가 1인 빛을 단일분자층에 쪼였을 때 0.003밖에 흡수하지 못하는 수준이다.

개발된 메타물질을 쓰면 단일분자층의 중적외선 흡수를 0.36(반사차이 또는 흡수차이 36%)까지 끌어 올릴 수 있다. 이는 메타물질이 없을 때 보다 120배 이상 향상된 성능(적외선반사흡수분광법 기준)이며, 메타물질 기반 기존 기술과 비교해도 3배 이상 향상된 것이다. 개발된 기술을 검증하는 실험에는 ODT(1-octadecanethiol) 물질 분자를 검출 분자 샘플로 썼다.

개발된 메타물질의 전자현미경사진과 초미세구조체 모형

이 기술은 메타물질 표면 미세구조가 빛을 에너지를 모았다가(흡수) 이를 한 번에 분자에 쏘아줘, 분자가 흡수하는 빛의 양을 늘리는 원리인 근접장 강화 효과를 쓴다. 연구팀은 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 나노미터(nm, 10-9m)로 얇아 상부 금속층과 하부 금속층 사이에서 더 강한 근접장 효과가 생긴다. 또 절연체만 안쪽으로 깎아내 만든 수직 갭 구조(금속 층간의 간격)를 통해 검출 분자가 근접장에 최대한 노출될 수 있도록 했다. 절연체가 깎여 들어간 공간으로 분자가 들어갈 수 있기 때문이다.

황인용 UNIST 전기전자공학과 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.

이번 연구결과는 와일리(Wiley)에서 출판하는 세계적인 학술지인 스몰 메소드(small methods)에 5월 13일자로 공개돼 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 지원하는 글로벌프론티어 파동에너지 극한제어 연구단, 한국 연구재단 나노소재기술개발 및 민군겸용기술개발 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

적외선 분광분석 측정결과

대량 생산 어려웠던 메타물질, 한계 극복하나

메타물질 기반의 적외선 분광기술은 기존 적외선 분광기술의 감도를 높일 수 있어 많이 연구되고 있다. 메타물질은 파장보다 작은 미세구조체의 배열된 물질로, 미세구조체 설계에 따라 작동 파장의 유효 유전율 및 투자율을 조절할 수 있고, 이를 통해 입사된 적외선 빛을 대부분 흡수해 구조 주위에 거대한 근접장 강화 효과를 일으킨다. 이러한 메타물질 흡수체를 적외선 영역 분자 검출에 적용할 경우, 중적외선 영역에 존재하는 검출분자 고유의 진동 모드와 강력한 상호작용을 통해 매우 증폭된 분자진동 스펙트럼을 얻을 수 있다.

일반적으로 메타물질 기반 흡수체(공진기)는 금속-유전체(절연체)-금속 층으로 구성되는데, 완벽한 흡수체 달성을 통한 근접장 강화를 위해서는 유전체 두께가 수십 또는 수백 나노미터 수준으로 얇아야 했다. 또 대부분의 근접장은 유전층과 상부 금속층 계면사이에 유도되기 때문에 검출 분자가 근접장에 제대로 노출되지 못했다. 근접장이 강하게 생기는 유전층을 활용하는 것이 불가능했던 것이다. 게다가 메타물질 제조과정에서 고가의 고해상도 빔 리소그래피 등이 필요하는 등 대량 생산에 어려움에 있었다.

메타물질 표면 미세구조 개발.. 대량생산 가능

연구팀은 입사된 중적외선 특정 파장을 빛을 대부분 흡수해 거대 근접장 강화와 센싱 표면(근접장 노출) 노출 극대화를 동시에 달성 할 수 있는 메타물질 표면 미세구조를 개발했다. 금속-유전체-금속 순으로 적층한 뒤 나노 임프린트 공법을 통해 상부에서 볼 때 십자 모양 미세구조가 배열된 메타물질을 만들었다. 이 메타물질의 미세구조의 유전체 층만을 측면에서 안쪽 방향으로 깍아내 수직 갭 구조를 만들었다.

연구팀은 “개발된 메타물질을 이용해 1-octadecanethiol(ODT)분자를 검출하는 실험을 했다. 실험 결과 두 금속층 사이의 나노 갭 표면에서 유도되는 거대 근접장 강화 효과는 분자 진동 모드와 강력하게 상호 작용해 적외선 흡수 신호를 매우 크게 증폭 시킬 수 있다는 것을 밝혔다. 적외선 분광 분석을 찾으려는 물질 분자가 적외선을 많이 흡수 할수록 검출 신호가 커진다”며

“이번에 개발한 메타물질의 단위구조체는 십자형 안테나 형상으로 설계돼 적외석 빛의 편광선택성을 완화하였으며, 나노 임프리트 리소그래피와 등방성 건식 식각 공정을 통해 초미세 단위 구조체를 쉽게 제작 가능해 대량생산이 유리하다”고 설명했다.

“센서 기술에 광범위하게 응용될 것”

이번에 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(imprint) 공법과 건식 식각 공정을 써 제조할 수 있다.

한국기계연구원 정주연 박사는 “금속-절연체-금속 순으로 얇게 적층한 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”라며 “적외선으로 생체분자, 유해물질, 가스 등을 검출하는 센서 기술에 광범위하게 응용될 것”이라고 기대했다.

<용어 설명>

1. 메타물질 (Metamaterials)

이차원의 파장보다 작은 미세구조들의 표면에 배열된 구조체로써, 파장보다 작은 빛의 다양한 특성을 조절 할 수 있다. 자연에서 발견되지 않은 특성을 가지도록 인공적으로 설계된 물질이라 메타 물질로 불린다. 이번 연구에는 개발된 메타물질은 적외선 빛을 흡수해 특정 용량까지 적외선 빛을 저장할 수 있는 하나의 '공진기(Resonator)'역할을 하도록 설계됐다. 이러한 특성은 메타물질을 구성하는 기본 물질의 특성이 아니라 물질이 만드는 미세 구조에 의해 생긴다.

2. 적외선 분광기술

물질에 빛을 쪼여 반사되거나 투과한 빛의 스펙트럼을 분석해 물질 성분 등을 분석하는 기술을 분광 분석이라 한다. 적외선 분광분석은 빛 중 적외선 영역을 사용하는 기술이다. 이번에 개발된 기술은 분자의 진동운동 주파수와 중적외선 주파수가 일치하면 분자가 자신의 고유 진동주파수와 일치하는 중적외선 주파수만 선택적으로 흡수하는 현상을 이용한다. 전체 중적외선 스펙트럼 영역중 감소한 주파수 영역을 읽어내면 샘플을 성분을 알 수 있다. 다양한 유해물질, 생체분자 등의 검출에 쓸 수 있는 기술이다. 한편 빛을 흡수한 분자는 분자 진동이 증폭된다.

3. 근접장(Near field)

국소 부위에 빛(빛 입자)이 머무르는 현상. 메타물질(적외선 공진기)은 근접장을 강화시키는 역할을 한다. 메타물질이 적외선 광자를 거의 대부분 흡수한 뒤, 흡수한 적외선 광자가 메타물질 표면 축적돼 근접장이 강화된다. 이 근접장 에너지가 검출분자에게 한꺼번에 전달(커플링)되면서 검출 분자에 전달되는 빛 세기(에너지)가 커져 빛 흡수율이 높아진다.