유해물질 닿으면 0.1초만에 색 변하는 '컬러센서' 개발

육안으로 관찰 가능한 바이러스 기반 컬러 센서 디스플레이공진 조건 조절이 가능한 기판의 디자인을 통해 제작된 패턴이 새겨진 유해물질 감지용 컬러 센서 디스플레이. /자료=광주과학기술원

국내 연구진이 유해물질이 있으면 색이 바로 변해 육안으로 쉽게 판별할 수 있는 센서를 개발했다.

광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수와 부산대 오진우 교수로 이뤄진 공동연구팀은 색 변화로 유해물질을 감지하는 ‘컬러센서’를 개발했다고 27일 밝혔다.

이번에 개발한 센서는 현미경 없이 직관적 관찰이 가능한 데다 매우 작은 유해 입자도 감지한다. 이런 특성 덕에 휴대용 스마트기기와 연동해 실생활에서 활용할 수 있고 무엇보다 센서를 작동시키기 위한 별도의 에너지원이 필요치 않다.

연구팀은 컬러센서 성능을 확인하기 위해 인체에 무해한 바이러스인 M13 박테리오파지를 통해 실험을 진행한 결과, 기존 센서 보다 약 2.5배 빠른 0.1초(110ms)의 반응 속도를 보였다. 또 바이러스 샘플의 경우, 수십 ppb(10억분의 1수준의 농도) 가량 매우 낮은 농도만 확보돼도 구분이 가능했다.

컬러센서는 색 변화를 통해 유해물질을 손쉽게 관측한다는 장점이 있지만 색이 나도록 제작하기 위해선 복잡한 구조를 형성해야 한다. 이는 감지 속도·감도에 불리한 요소로 작용해왔다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 ‘공진 증폭 기판’을 설계해 센서 플랫폼으로 적용했다. 연구팀은 “이를 통해 복잡한 구조 없이 매우 얇은 60나노미터(nm·10억분의 1m) 바이러스 층에서도 뚜렷한 색을 구현했다”고 설명했다. 아울러 특정 환경에서만 패턴을 드러나게 해 유해물질의 직관적 관찰을 가능하게 했다.

송 교수는 “나노미터 수준의 섬유형 바이러스를 적용해 유해물질과 컬러센서 간 결합을 유도했고, 광학 설계를 통해 직관적으로 유해물질을 감지할 수 있게 했다”면서 “앞으로 컬러센서용 플랫폼의 최적화를 이뤄 다양한 유해물질을 직관적이며 빠르게 감지할 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 게재됐다.