▲ 초미세간극 금속센서의 제조 및 초민감성 분자 검출 시스템 모식도 .

국내 연구진이 금속 간 미세 간격을 조절해 1나노급 초미세간극 금속센서 제작에 성공해 향후 관련 산업분야를 활용할 원천기술 확보에 따른 사업화가 기대되고 있다.

미래창조과학부(장관 최양희)가 국가간협력기반조성사업으로 지원하는 서강대학교 강태욱 교수팀이 금속 코어와 껍질로 구성된 나노 입자들의 2차원 단일층으로부터 껍질을 선택적으로 제거하는 간단한 방법으로 대면적의 초미세간극(ultrasmall gap) 금속센서 제작에 성공했다고 지난 3일 밝혔다.

두 개 이상의 금속나노 구조체 사이에 형성된 초미세간극은 주변 전자기장을 집적할수 있어 매우 큰 전자기장 증폭효과를 제공해 광전지(photovoltaics), 광촉매(photocatalysis), 메타 물질(metamaterials), 표면 증강 분광(surface-enhanced spectroscopy), 분자 검출(molecular sensing) 등의 다양한 분야에서 각광받고 있다.

제작 기술의 특성상 고도의 전문성과 기술력을 요구해 숙현된 연구자가 필요함에따라 소량생산, 실험실 수준의 연구에 머물렀지만 이번 연구 개발로 기존 초미세간극 금속 구조체 제작 한계를 극복해 비용을 절감할 수 있게 됐다.

서강대 연구팀은 버클리대학교(UC Berkeley) 연구팀과의 국제협력을 통해 손쉽게 균일한 금속 간 초미세간극을 대면적으로 제작하였고, 제작한 초미세간극 금속센서를 사용하여 초고감도 분자검출 연구를 진행했다.

금속기판을 계속해서 자르는 기존 방식은 작업공정이 매우 비싸고 비효율적이었으며, 금속 나노입자들의 자가배열을 이용하는 방법도 금속 나노입자의 특성상 서로 뭉치게 되어, 간극이 아예 존재하지 않는 문제점이 있었다.

연구팀은 기존 기술들의 문제점을 해결하기 위해 금속 나노입자에 껍질을 씌우고 입자를 자가배열한 후 껍질만을 선택적으로 제거하는 손쉬운 방법을 이용해, 1 나노미터 크기의 초미세간극을 대면적으로 만드는데 성공한 것이다.

금속 나노입자들 간의 거리가 머리카락 굵기의 10만분의 1만큼 줄어들어 초미세간극이 형성되면, 금속 나노입자 주변의 전자기장을 강하게 증폭시키게 되며, 그 간극이 줄어들수록 더 낮은 농도의 물질을 더 빠르게 검출할 수 있어 다양한 센서로 응용될 수 있다.

제작된 초미세간극을 갖는 금속 구조체는 우수한 물리, 광학적 성질을 지니고 있어서 전지(photovoltaics), 광촉매(photocatalysis), 메타 물질(metamaterials), 질병진단센서 개발 등의 다양한 분야에서 폭넓게 응용될 것으로 기대된다.

강 교수는 “우수한 특성에도 불구하고, 고도의 전문성과 기술력의 요구로 인하여 대부분 현재 연구실 수준에 머무르고 있는 초미세간극 금속 나노 소재의 개발과 응용에 도움을 주어 나노바이오센서 분야의 실용화와 산업화를 앞당길 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

한편, 이 연구결과가 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스지(Advanced Materials) 2015년 8월 5일자 표지논문으로 선정되었다.