기계연, 적외선 분광분석 검출신호 100배 높이는 메타물질 개발

유해물질, 생체분자 검출 공정 경제성 개선 기대

메타물질의 전자현미경 사진과 초미세구조체 ?한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질의 전자현미경 사진 이미지. 상부에서 보았을 때 십자 모형인 메타물질 미세구조체가 배열되어 있다. ?한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질 미세구조체를 측면에서 바라본 모형도 한국기계연구원과 UNIST가 개발한 메타물질 구조를 나타낸 그림. 10㎚ 수준의 나노 갭(gap)이 형성된 것을 볼 수 있다.(그림제공:기계연) © 뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = 국내 연구진이 유해물질이나 생체분자 검출공정을 획기적으로 개선할 수 있는 메타물질을 개발했다.

한국기계연구원은 나노공정장비연구실 정주연 책임연구원과 UNIST(울산과학기술원) 전기전자공학과 이종원 교수 공동연구팀이 검사대상에 적외선을 쫴 성분을 분석하는 적외선 분광분석 검출신호를 100배 이상 키우는 메타물질을 개발했다고 31일 밝혔다.

메타물질은 표면에 빛 파장보다 길이가 짧은 초미세구조가 배열된 특수 기능성 물질이다.

적외선 분광분석 검출은 검사대상 물질의 분자가 적외선을 특정주파수를 흡수하는 특성을 활용해 반사된 빛의 패턴으로 성분을 확인하는 기법이다. 이때 검출하려는 물질이 극미량만 포함된 경우 검출신호인 빛의 세기 차이가 거의 없어 읽어내기 힘들다.

하지만 이번에 개발한 메타물질을 활용하면 메타물질 표면의 미세한 구조가 빛에너지를 모았다가 한번에 분자에 쬐어 분자가 흡수하는 빛의 세기를 늘려준다. 그만큼 검출신호가 증폭돼 작은 양으로도 뚜렷한 결과를 얻을 수 있다는 것이다.

메타물질은 금속과 절연체, 금속을 순서대로 쌓아 십자모양으로 만들어졌다. 가운데 절연체 부분은 두께를 10㎚ 수준으로 얇게 만들고 수평방향으로 깎아 수직갭을 형성했다.

즉, 분자가 근접장에 최대한 노출되도록 해 분자의 빛흡수가 늘어나도록 설계했다.

특히, 이번에 개발한 메타물질은 나노 임프린트 공법과 건식식각 공정만으로 쉽게 제조할 수 있어 대량생산이 가능하다.


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.

이번 연구결과는 세계적 나노과학분야 전문학술지 ‘스몰 메소드’에 13일자로 게재됐다.

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