2023.  4.  13.

“신호 튜닝이 자유로운 표면 증강 라만 산란 기술 개발”
간단한 바이오칩 제작 방식으로 대면적, 실시간 라만 분자 검지 가능
유용상 고려대 교수 – 최인희 서울시립대 교수 공동연구팀 연구 결과
마이크로 나노 소재분야 세계적 권위 저널 ‘Small’ 게재

□ 고려대학교(총장 김동원) 보건과학대학 바이오의공학부 유용상 교수와 최인희 서울시립대 생명과학과 교수 공동 연구팀은 나노/바이오 물질의 종류와 양을 실시간으로 검지 할 수 있는 전극-유전체-전극의 샌드위치 광학분자 검지 기술 개발에 성공했다(그림 1).

□ 고민감도의 특정 분자를 검출/검지하기 위해서는 나노금속 구조물의 높은 집약도 뿐만 아니라 정밀한 배열의 요소기술이 필수적이다. 검출하고자 하는 타깃 분자가 높을수록, 구성하는 금속 구조물이 박막형태 내에서 균일하게 잘 조립되어 있어야 높은 민감도를 가지는 바이오칩 구현이 가능하다. 이는 나노 금속 물질 표면에서 수십억 배 광신호가 증폭되는 현상이 ‘표면 증강 라만 산란(SERS)’ 현상 덕분이다.

□ 잘 정렬된 나노구조물을 만드는 것보다는 값싸고 대면적에 구현이 가능한 표면 증간 라만 산란 기판을 제작하기 위해 연구팀은 불소계 고분자 박막의 낮은 표면 에너지를 이용하여 단순한 열증착 기법으로 금 나노 구조를 대면적에 형성할 수 있고 이를 분자 검지 기술인 표면 증강 라만 분광법을 개발 및 최적화했다(그림 2).

□ 더 나아가 상하로 배열된 전극 사이에 샌드위치 된 유전체의 두께와 물성을 조절하여, 고가의 장비와 많은 노동력이 반드시 수반되는 나노금속 구조물 정렬도의 제조 공정의 어려움을 우회하여, 적층형으로 광학신호의 세기를 조절하는 매커니즘을 밝혀내는 데 성공했다.  패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭현상에 의해 특정 파장의 빛을 증폭시키거나 혹은 감쇄시킨다는 사실 기반으로, '표면 증강 라만 산란(SERS)‘의 크기를 자유롭게 튜닝할 수 있는 소자 원천기술 개발을 확보했다.

□ 이는 기존의 '표면 증강 라만 산란(SERS)‘의 세기가 기체나 액체에서 측정할 때마다 신호의 세기가 들쑥날쑥했던 실험적인 오류를 극복하여 솔루션을 찾는데 큰 정보를 제공한다. 이번 연구에서 신호세기 조절의 작용기작을 설명하고, 이를 이용하여 고감도 분자검지 기술의 메커니즘을 밝혀내어 다양한 바이오칩으로의 응용가능한 활로를 확보했다.

□ 상단의 금속 나노 구조를 이용하여 건식 산소 활성화 이온 식각을 하게 되면 고분자 유전체층에 나노 크기의 빈 공간을 만들 수 있고, 이 과정을 통해 유전체층의 굴절률을 조절하여 라만 분광법에 사용되는 입사광/산란광 등의 증폭 혹은 감쇄에 맞출 수 있다(그림3).

□ 기존의 측정 파장에 최적화하여 제작된 라만 기판은 입사광의 파장이 바뀌거나 검지하고자 하는 분자의 특성 라만 피크가 달라질 경우 추가적인 특성 조절에 어려움이 있다.

□ 그러나, 해당 연구팀의 MDM 구조는 유전체층의 나노 공간을 이용하여 다양한 액체를 외부에서 주입 시킬 수 있어 구조의 공명 파장을 역학적으로 조절하여 기판의 제작 이후에도 추가적인 건식 식각과 액체 투입을 통해 어떠한 환경에도 최적화시킬 수 있다(그림4).

□ 연구팀은 기판의 역학적 튜닝을 이용하여 단순 분자 검지뿐 아니라 정보 암호화 기술 중 하나인 스테가노그래피에 활용하여 여러 가지 정보를 한 기판 안에 성공적으로 암호화했다. (그림 5)

□ 이번 연구 결과는 마이크로 및 나노 소재 분야 세계적 권위의 국제학술지 ‘Small (IF=15.15)’에 독일 현지시간 4월 5일 게재됐으며, 과학기술정보통신부의 중견과제사업 및 정보통신 산업진흥원 지원으로 진행됐다.
  * 논문명: Fabry-Perot Cavity Control for Tunable Raman Scattering
  * 저널명: Small
  * 저자 정보: 김태현(공동 제1저자, 고려대학교 마이크로/나노시스템 협동과정 석박통합과정), 이종수(공동 제1저자, 서울대학교 전기정보공학부 석박통합과정), 유의상(공동저자, 한국전자통신연구원 선임연구원), 이승하(공동저자, KU-KIST 융합대학원 NBIT 융합전공 박사과정), 우현빈(공동저자, KU-KIST 융합대학원 NBIT 융합전공 석사과정), 곽정훈(공동저자, 서울대학교 전기정보공학부 부교수), 정석(공동저자, 고려대학교 기계공학부 교수), 최인희(공동 교신저자, 서울시립대학교 생명과학과 부교수), 유용상(공동 교신저자, 고려대학교 바이오의공학부 부교수)

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