■ 메타물질 이용, 극미량 물질 성분 100배 민감 검출

■ 메타물질 이용, 극미량 물질 성분 100배 민감 검출

 

적외선을 이용하여 물질 분석 민감도를 100배 이상 높일 수 있는 메타물질이 개발됐다. 앞으로 다양한 생체분자, 유해 물질, 가스 등을 검출하는 데 활용할 수 있을 전망이다. 한국기계연구원과 UNIST(울산과학기술원)은 적외선 분광 분석의 검출 신호를 키워 민감도를 획기적으로 향상시킨 메타물질을 생산하는 데 성공했다고 2021년 05월 31일 밝혔다. 메타물질은 표면에 빛 파장 길이보다 작은 초미세구조가 배열된 특수 기능성 물질이다. 적외선 분광 기술은 적외선을 이용하여 빛을 쪼여 반사되거나 투과한 빛의 스펙트럼을 분석해 물질 성분을 분석하는 기술이다.

 

검사 대상 물질의 분자가 적외선의 특정 주파수를 흡수하는 특성을 활용하면, 반사된 빛의 패턴으로 성분을 확인할 수 있는데, 검출하려는 물질이 극미량만 포함되어 있으면, 검출 신호인 빛의 세기에 차이가 거의 없어 분석이 쉽지 않다. 연구팀은 기존 메타물질 표면의 미세한 구조가 빛을 에너지를 모았다가 이를 한꺼번에 분자에 쏴 흡수하는 빛의 양을 늘리는 '근접장 강화 효과'를 이용하여 새로운 메타물질을 개발했다. 이 메타물질은 검출 신호의 증폭 효과를 키워, 기존 적외선 분광 기술보다 검출 신호를 100배 이상 높일 수 있다.

 

이 메타물질은 금속과 절연체, 금속을 순서대로 쌓아 올려 십(十)자 모양으로 만들었다. 가운데에 위치한 절연체의 두께는 10㎚(나노미터)로 얇아 위에 있는 상부 금속층과 하부 금속층 사이에서 더 강한 근접장 효과가 나타난다. 또한, 절연체만 안쪽으로 깎아내 만든 수직 갭 구조(금속 층간의 간격)를 통해 검출 분자가 근접장에 최대한 노출되도록 하여 분자의 빛 흡수를 늘렸다.

 

개발된 메타물질은 표면에 미세구조를 만들기 위해 비싼 고해상도 빔 리소그래피 공정 대신 나노 임프린트 공정과 건식 식각 공정만으로 저렴하게 대량 생산이 가능하다. 이종원 UNIST 교수는 "수직 방향의 갭 구조를 만들어 근접장 세기 강화와 근접장 노출 문제를 동시에 해결한 최초의 연구"라며 "적외선으로 다양한 물질을 검출하는 센서 기술로 활용될 전망"이라고 말했다. 이 연구 결과는 국제 학술지 '스몰 메소드(small methods)'에 2021년 05월 13일 실렸다.