이승우 교수팀, DNA 자기조립 기반 나노 구조체 통해 가시광 영역에서 자기공명 플라즈몬 최초 확인

▲ 이승우 KU-KIST융합대학원 교수(왼쪽), 허지혁 학생(오른쪽)

고려대 KU-KIST 융합대학원 이승우 교수팀은 최신 기술인 DNA 분자종이접기 기술을 이용하여 마치 빛이 광섬유를 따라 전파하는 것과 같이 자기공명 플라즈몬을 생성하고 가이드 할 수 있는 메타 나노구조체를 구현했다.

대중에게는 음의 굴절률을 가진 물질, 투명 망토 등으로 널리 알려진 메타물질은 자연계에는 존재하지 않는 물성을 띄는 인공물질을 구현하고 연구하는 분야로써 통신, 에너지, 전자기파, 국방 등의 다양한 산업에 적용이 가능해 지난 20년간 활발하게 연구되고 있는 분야이며 최근 4차 산업혁명 시대가 다가오면서 화두가 되고있는 5G, 사물인터넷 (IoT)등 첨단 ICT 기술 발전과 함께 첨단 부품에 대한 수요가 급증하면서 더욱 주목받고 있는 분야이다.

메타물질의 구현에서 가장 큰 걸림돌은 물질에 들어가는 전자기파에 의해 자기장의 반응을 잘 유도해 내는 것이 어렵다는 것이다. 자연계의 대부분의 광학적 물질은 전기장에는 반응을 하지만 자기장에는 반응을 잘 하지 않기 때문에 인공적으로 자기장의 반응을 유도하는 구조체를 만드는 것이 메타물질 분야의 중요한 이슈이다. 특히 파장이 짧아지는 영역으로 갈수록 자기 반응을 유도하기가 힘든데 고려대 연구팀은 이를 벤젠, 나프탈렌과 같은 방향족 분자의 구조를 모사하여 단파장인 가시광 영역에서 자기장을 유도해 내는 나노구조체를 구현해 내는데 성공했다.

특히, 가시광 영역에서 자기 반응을 유도하기 위해서는 금속나노입자가 수 nm 간격으로 떨어져있는 구조체를 링 형태의 원형 구조로 배열해 내야한다. 이는 기존의 식각 공정으로는 구현하기 매우 어렵기 때문에 연구팀은 2 가지 핵심 기술을 이용하여 한계를 극복했다.

첫째, 최신 DNA 분자종이접기 기술 (DNA 분자의 염기서열을 정교하게 디자인하여 원하는 나노구조체를 자기조립을 통해 만드는 기술)을 활용하여 방향족 분자의 모양과 유사한 육각형 구조의 템플릿을 만들어냈다. 이 육각형 구조의 DNA 템플릿의 각 모서리에는 DNA 단일 가닥으로 된 손잡이가 달려있는데 이 손잡이와 정 반대의 염기서열로 된 DNA 가 코팅된 금 나노입자를 DNA 템플릿과 섞어주면 선택적으로 템플릿의 모서리에만 금나노 입자가 자리잡게 된다. (그림1 참조)

둘째, 입자 사이의 간격을 수 nm 가 되도록 만들어 주기 위해 DNA 템플릿 모서리에 있는 금나노입자를 시드로 하여 은을 화학적으로 성장시키는 방법을 이용하였다. 이 기술의 장점은 은을 성장 시키는 시간에 따라서 입자 사이의 간격을 원하는 대로 조절도 가능하다는 것이다. 더 나아가서 본 연구팀은 이러한 링 형태의 나노단위체를 더욱 복잡하게 배열하여 자기 반응(자기공명 플라즈몬)이 구조체의 모양을 따라서 마치 회로를 타고 전류가 흐르는 것과 같이 가이드 되는 네트워크를 만들었고 이를 이론 및 실험적으로 증명하였다. (그림2 참조)

이는 메타물질 분야의 파장 영역을 가시광 영역으로 가져올 수 있는 기반 기술이 될 수 있을 것으로 기대되며 자기공명 플라즈몬을 유도할 뿐만 아니라 자기공명 플라즈몬을 마치 회로처럼 디자인하여 조절할 수 있는 가능성을 열었기에 이를 선도하는 기술로 인정 받아 재료공학 분야 최고의 권위 학술지 중 하나인 Advanced Materials (impact factor : 21.950) 5월 30일자에 정식 게재됐다.

▲(그림 1) DNA 템플릿 기반 은 나노입자 성장 과정

▲(그림 2) DNA 템플릿 기반 나노입자 링 클러스터 복합체

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)