[IT비즈뉴스 최태우 기자] 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원과 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 유해물질이나 생체분자 검출공정을 개선할 수 있는 메타물질을 개발했다.

기계연 나노공정장비연구실 정주연 책임연구원과 UNIST 전기전자공학과 이종원 교수 공동 연구팀은 검사 대상에 적외선을 조사해 성분을 분석하는 적외선 분광분석 검출 신호를 100배 이상 키우는 메타물질을 개발하는 데 성공했다. 

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 검출 물질이 극미량만 포함된 경우 검출 신호차가 거의 없어 읽어내기 힘들다.

기계연·UNIST 공동 연구진이 이번에 개발한 메타물질은 표면의 미세한 구조가 빛 에너지를 모았다가 한 번에 분자에 조사해 분자가 흡수하는 빛의 세기를 늘려주는 특성으로 검출 신호가 증폭되면서 적은 양으로도 뚜렷한 결과를 얻을 수 있다.

메타물질은 금속과 절연체, 금속을 순서대로 쌓은 구조로 설계됐다. 가운데 절연체 부분은 두께를 10나노미터(nm) 수준으로 얇게 만들고 수평으로 깎아 수직 갭을 형성해 분자가 근접장에 최대한 노출되면서 분자의 빛 흡수가 늘어나도록 설계했다.

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

연구진은 이번에 개발한 메타물질은 대량으로 제조하기 쉽고 제조공정도 경제적이라고 설명했다. 

기존에는 메타물질 표면에 미세구조를 만들기 위해 고가의 고해상도 리소그래피 공정이 필요했으나 이번에 개발한 메타물질은 나노 임프린트 공법과 건식 식각공정만으로 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 식각공정을 더해 미세구조로 배열된 메타물질을 대량으로 만들 수 있을 것”이라고 말했다.

UNIST 이종원 교수는 “적외선으로 생체분자, 유해물질, 가스 등을 검출하는 센서기술에 광범위하게 응용될 것으로 기대한다”고 말했다.

과학기술정보통신부 지원 글로벌프론티어 파동에너지극한제어연구단, 한국연구재단 나노소재기술개발 및 민군겸용기술개발 사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구결과는 나노과학 분야 전문 학술지인 ‘스몰 메소드(small methods)’ 5월13일자에 게재됐다.