- 간단한 제작 방식으로 대면적 나노구조기판을 제작해 비표지 라만 분자 검출에 활용, 광학 신호를 자유롭게 스위칭할 수 있어 다양한 분야로 확장 기대

- 마이크로 나노 소재 분야 세계적 저명 학술지 ‘스몰 (Small)’에 게재

서울시립대학교 생명과학과 최인희 교수와 고려대학교 바이오의공학부 유용상 교수 공동 연구팀이 나노/바이오 물질의 종류와 양을 실시간으로 검출할 수 있는 전극-유전체-전극의 샌드위치 구조기반 광학분자 검출 기술 개발에 성공했다(그림 1).  

▲  그림 1. 금 나노 구조와 패브리-페로 구조를 결합한 분자 검지 기판의 모식도

이번 연구 결과는 마이크로 및 나노 소재 분야 세계적 권위의 국제학술지 ‘Small (IF=15.15)’에 4월호에 ‘Fabry-Perot Cavity Control for Tunable Raman Scattering’라는 제목으로 온라인 게재됐다. 

고감도 분자 검지 기판을 제작하기 위해서는 금속 나노구조물의 높은 집약도와 더불어 검출하고자 하는 타겟 분자가 높은 집약도의 금속 구조물 사이사이에 잘 집약되게 해야 한다. 이러한 특징은 나노크기의 금속 구조 표면에서 수십억 배 광학신호가 증폭되는 현상인 ‘표면 증강 라만 산란(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)’ 현상 덕분이다. 

이 높은 표면 증간 라만 산란 현상을 유발하기 위해 연구팀은 불소계 고분자 박막의 낮은 표면 에너지를 이용하면 간단한 열 증착 기법으로 금 나노 구조를 대면적에 형성할 수 있고 이를 분자 검출 기술인 표면 증강 라만 분광법에 최적화했다. 

더 나아가 상하로 배열된 전극 사이에 샌드위치된 유전체의 두께와 물성을 조절해 패브리-페로 (Fabry-Perot) 간섭현상에 의해 특정 파장의 빛을 증폭시키거나 혹은 감쇄시킨다는 사실을 밝혀내고, 이를 통해 라만 신호 크기를 자유롭게 튜닝할 수 있는 소자 개발에 성공했다. 기존의 ‘표면 증강 라만 산란(SERS)’의 세기가 기체나 액체에서 측정할 때마다 신호의 세기가 들쑥날쑥했는데, 본 연구에서 신호세기 조절의 작용기작을 설명하고, 이를 이용해 고감도 분자검출 기술의 전략을 제시했다는 점에서 다양한 환경, 바이오 센서칩으로의 응용 가능한 활로를 확보한 것이다. 

▲  그림 2. (좌측부터) 공동 제1저자 김태현 학생(석박통합과정), 공동 제1저자 이종수 학생(석박통합과정), 공동 교신저자 최인희 교수, 공동 교신저자 유용상 교수  

특히, 연구팀은 기판의 물리화학적 특성 튜닝을 이용해 분자 검출뿐만 아니라 정보 암호화 기술 중 하나인 스테가노그래피에 활용하여 여러 가지 정보를 한 기판 안에 성공적으로 암호화하고 특정 조건에서 시각화할 수 있음을 보였다.

최인희 교수는 “마이크로/나노구조 제작 및 광학 시뮬레이션 전문가인 유용상 교수팀과의 협업을 통해 라만 신호를 조절할 수 있는 메커니즘 규명 및 조절가능 변수를 제안할 수 있었으며, 본 연구결과는 실험·이론적 공동연구의 시너지 효과를 보여주는 좋은 사례다.”라고 평가했다.

해당 연구는 과학기술정보통신부의 중견과제사업 및 정보통신 산업진흥원 지원으로 진행됐다.