Update2024.05.01 (수)
국내 연구진이 고감도와 넓은 범위의 변화를 감지를 충족시키는 압력센서를 개발했다. 쓰임에 따라 큰 건물의 구조변화부터 생체 내부의 화학반응 감지까지 다양한 응용이 기대된다.
미래창조과학부(장관 최양희)는 유연한 나노레이저에 미세한 압력이 가해지면 레이저의 색깔(파장)이 변화하고, 이를 이용하여 민감도가 뛰어난 신규 압력 센서 등을 세계 최초로 개발하였다고 밝혔다.
플렉서블 전자소자들은 높은 민감도를 가지면 작은 압력의 변화를 측정하고, 큰 압력의 변화를 측정하면 낮은 민감도를 가지고 있어 높은민감도를 가지면서 큰압력의 변화를 측정할 수 있는 새로운 압력센서 개발이 요구되고 있었다.
연구팀은 레이저가 하나의 파장(색깔)을 가진다는 점에 착안해 레이저의 파장변화를 이용해 나노레이저를 이용한 새로운 압력센서 개발에 성공했다. 주고가 0.5% 미만으로 변해도 측정할 수 있을 정도로 감도가 높고 구조변화가 20%정도 일어나도 측정이 가능하다.
연구팀은 못과 같은 모양이 반복적으로 배열되어 있는 광결정 구조를 플렉서블 기판에 넣어서 유연한 광결정 나노레이저를 제작하였다. 레이저 구조를 잡아당기거나 압축하는 등 외부 압력을 가하면 레이저 파장이 변하는 새로운 형태의 나노레이저이다.
광결정 레이저는 광결정 구조의 격자 주기에 의해 레이저 파장이 결정된다. 외부 압력에 따라 광결정의 격자 주기가 변하고 따라서 레이저 파장이 변하게 되는데, 이러한 원리를 이용하면 구조에 가해지는 압력이나 구조의 변화를 측정할 수 있다.
제작한 유연한 광결정 레이저는 -10% 에서12% 까지 변형되는 동안 약 26 nm의 레이저 파장 변화를 보여주었다. 센서의 눈금에 해당하는 선폭은 매우 좁고 동작 범위는 넓기 때문에 높은 감도의 압력 센서로 동작할 수 있다.
광결정 구조를 조금씩 변화시키며 레이저 구동의 안정적인 동작을 실험적으로 확인하였다. 또한 레이저 구조가 변형되는 방향에 따라 레이저 모드의 편광과 모양이 변화함을 적외선 카메라로 확인하였다. 이는 압력이 가해지는 방향을 시각적으로 볼 수 있는 최초의 실험 결과이다.
위와 같은 연구과정에 따라 연구팀은 나노레이저를 이용한 새로운 압력 센서를 개발하였다.
외부 압력에 따라 레이저의 파장이 변하는 이 압력 센서는 기존 전자소자 기반의 센서에서 나타나는 문제를 해결하며 넓은 측정 범위를 갖는다.
또한 이 압력 센서를 이용하여 액체의 산도(pH)를 측정할 수 있는 새로운 방법 또한 개발하였다. 액체의 산도에 반응하여 부피가 바뀌는 하이드로겔을 압력 센서에 부착하여, 광학적으로 산도를 감지할 수 있는 화학 센서를 구현했다.
액체가 흐르면 pH 감응성 하이드로겔의 부피가 변하여 압력 센서에 압력을 가하는데, 이때 변하는 레이저 파장의 변화를 측정하는 원리이다. 건조상태, 약산(pH 2.5, 아세트산), 중성(pH 7)의 3가지 상태에 대하여 산성도를 성공적으로 측정할 수 있었다.
박홍규 교수는 “이번 연구는 다리와 같은 큰 건축물의 구조 변화에서부터 생체 내부의 화학 반응을 감지할 수 있는 초소형 바이오 센서에까지 널리 응용될 수 있다”며 “또한 세포의 화학적 성분이나 모양 변화를 민감하게 검출 할 수도 있어 향후 몸 속 암세포의 유무 등을 정확하게 확인할 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.
한편, 이번 연구는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)지원으로 연구를 수행하였으며, 이 연구는 세계적 권위의 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 5월12일자에 게재되었다.
