[134호] 연구/세미나, 초민감성 분자 검출을 위한 초미세간극 금속센서 개발

초민감성 분자 검출을 위한 초미세간극 금속센서 개발

 

신유나 _ 화공생명공학과 석사

 

지난 8월 게재된 논문에서 복잡한 공정 없이 1 나노미터 크기의 초미세간극 금속센서를 제작하는 기술을발표했다. 이 기술로 질병진단의 정확도를 획기적으로 높이고 환경오염물질 및 독성물질의 조기경보에 응용 가능한 1 나노미터 크기의 금속 초미세간극을 대면적으로 제작하는 데 성공했다.

초미세간극 금속센서 개발의 배경
초미세간극 금속센서는 금속 나노구조체 사이에 형성된 미세한 간극 구조를 이용하여 다양한 분자들의 광학신호를 검출해내는 나노소재기반의 센서이다. 금이나 은과 같은 금속 나노입자 간의 거리가 머리카락 굵기의 10만분의 1만큼 줄어들어 초미세간극이 형성되면
주변의 전자기장을 강하게 증폭시킬 수 있게 되며, 더 낮은 농도의 물질을 더 빠르게 검출할 수 있어 다양한 센서로 응용될 수 있다. 하지만 이러한 금속 간 초미세간극은 반도체 공정과 같은 마이크로/나노공정에서도 가장 만들기 힘든 구조 중의 하나로 알려져 있다. 지금까지 초미세간극을 제작하는 방법은 정교한 식각공정을 포함하는 복잡한 마이크로/나노 공정이 주를 이루어왔고, 고가의 나노공정장비 사용과 복잡한 공정으로 인해 비효율적이며 그 응용이 매우 제한적이었다. 따라서 실험실 수준을 벗어나 다양한 분야로의 응용을 위해서는 복잡한 공정과 숙련된 기술자 없이 대면적의 초미세간극을 제작할 수 있는 방법의 개발이 요구되는 실정이었다. 한편 금속 나노입자들의 자가배열을 통해 초미세
간극을 형성시킬 수 있으나, 이러한 방법은 간극의 밀도나 크기를 제어할 수 없어 재현성 확보에 어려움이 있었다. 또한, 금속 나노입자의 서로 뭉치는 특성 때문에 아예 간극이 존재하지 않는 문제점도 있었다. 따라서 기존의 초미세간극 제작 방식들을 극복할 수 있는 새로운 초미세간극 제작방법에 관한 연구가 요구되어왔다.

초미세간극 제작 방법 및 성과

금속 나노입자에 껍질을 씌우고 껍질만을 선택적으로 제거하는 손쉬운 방법을 통해 기존의 복잡한 마이크로/나노 기술이나 고도의 기술력에 의존하지 않는 대면적의 초미세간극 금속 구조체를 제작했다. 이 기술은 <그림 1a>에서 보는 바와 같이 1) 금속 나노입자에 실리카 껍질을 씌우고 단일층으로 밀집된 대면적의 구조를 형성시키는 단계, 2) 나노 입자들의 단일층을 다양한 고체 기판으로 옮긴 후 화학적 에칭으로 나노입자들의 껍질부분만을 선택적으로 제거하는 단계를 포함한다. 실리카 껍질을 선택적으로 제거하는 과정에서 발생하는 금 코어 나노입자 간의 인력에 의한 상호작용을 통해 금속 입자들이 서로 가까워지게 되면서 균일한 1나노미터 크기의 초미세간극이 형성되는 것이다. 이렇게 제작된 초미세간극에 대한 광학특성을 알아보기 위해서 전자기장 수치해석(electromagnetic field simulation)을 진행하였고, 수치해석 결과를 통해 실리카 껍질을 제거하고 1 나노미터 크기의 초미세간극이 형성되면 전자기장 강화효과가 매우 증폭되는 것을 확인할 수 있었다. 나아가 <그림 1b>에서 나타낸 것과 같이 나노 입자들의 껍질을 제거한 후 제작된 초미세간극을 이용한 광학기반의 분자검출을 수행하여 검출 분자에 대한 광학신호의 검출감도가 향상됨을 확인할 수 있었다. 또한, 간극에 접근하는 다양한 분자들의 신호를 효과적으로 검출함으로써 센서기반기술로서 고감도 분자 검출에 다양하게 활용할 수 있는 가능성을 보여주었다

 

<그림1. 초미세간극 금속센서의 제조 및 초민감성 분자 검출 시스템 모식도>

 

 

활용 방안 및 기대효과
 제작된 초미세간극은 강화된 전자기장을 발생시켜 검출 분자의 광학 신호를 매우 향상시킬 뿐만 아니라 검출 분자들이 자유롭게 접근할 수 있는 빈 공간을 가진 형태로 극미량의 분자를 효과적으로 검출할 수 있다. 따라서 소량의 생체분자에 대한 감지를 바탕으로 이뤄지는 질병조기진단의 정확성을 높이는데 기여하고, 인체에 유해한 환경오염물질 및 독성물질의 검출에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 차세대 질병진단시스템, 환경오염물질 실시간 모니터링 등과 같은 다양한 나노바이오센서 기술에 응용될 수 있어 바이오센서 분야의 실용화를 한층 앞당길 수 있을 것으로 예상된다. 더욱이 해당 기술은 그동안 고도의 전문성과 기술력의 요구로 인하여 제작과 활용이 매우 제한적이었던 초미세간극의 개발과 응용에 도움을 주어 다양한 분야로의 응용과 실용화에 기여할 수 있을 것이다. 바이오센서산업 측면에서 볼 때, 제작된 초미세간극 센서의 제작공정에 대한 연구, 그리고 정밀제작을 위한 시스템 연구와 실제 센서로의 접목을 통해 실용화 가능성을 확인하는 연구가 집중적으로 이루어진다면 현재의 센싱 기술을 향상시킬 수 있는 초민감성 나노센서의 실용화와 산업화가 가능해질 것으로 기대된다.