최근 중국발 황사가 사회적인 이슈가 된 가운데, 미세먼지 내에 존재하는 다이옥신과 같은 유해성분을 검출할 수 있는 원천기술이 국내에서 개발됐다.

 재료연구소(소장 강석봉)의 박성규 박사, 김동호 박사 등 분자감지소재 연구팀은 카이스트 생명화학공학과와 공동으로 빛의 산란현상을 기반으로 한 초고감도 분자감지소재를 개발하는 데 성공했다고 말했다.

 이번 연구 결과는 재료 및 나노분야 세계적 학술지인 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)와 영국 왕립학회에서 발간하는 저널 오브 머터리얼 케미스트리 C (Journal of Materials Chemistry C)에 연이어 3월호 표지논문(frontispiece, front cover)으로 선정됐다.

 빛이 물질을 만났을 때 빛은 산란되는데, 산란되어 나오는 빛의 대부분은 입사광과 같은 에너지를 가지나(탄성산란) 극히 일부분(10-8)은 입사광과 다른 에너지를 가지게 된다(비탄성 산란). 하늘이 파란색으로 보이는 이유도 물 분자나 공기 분자가 탄성산란을 일으키기 때문이다. 비탄성 산란은 산란 물질 내부에 존재하는 분자 고유의 진동에너지를 알 수 있어, 분자의 정체를 알 수 있는 유용한 정보를 제공해 준다. 비탄성 산란은 1928년에 인도의 물리학자 라만 경에 의해 발견되었고, 라만 경은 비탄성 산란의 발견으로 1930년에 노벨 물리학상을 받았다.

 라만 현상으로 물질을 이루는 분자의 정보를 알 수 있기 때문에 화학 및 바이오센서로 활용이 가능하지만, 극히 작은 발생확률로 인해 기존의 라만분광기로는 고농축 벌크 시료만을 측정할 수 있었다.

 재료연구소는 분자의 라만신호를 획기적으로 증폭시킬 수 있는 금속 나노구조체를 개발하는데 성공하였다. 금이나 은과 같은 귀금속 나노구조체는 금속의 자유전자가 특정 파장의 빛에 의해 집합적으로 진동하는 현상이 일어나는데, 이를 표면 플라즈몬 공명이라고 한다. 이러한 표면 플라즈몬 공명에 의해 귀금속 나노구조체 사이의 갭(gap)에서 전기장의 세기가 급격히 증가한다. 화학 및 생물분자가 이러한 강한 전기장이 발생하는 금속 나노구조체 표면에 흡착하게 되면, 강한 전기장에 의해 라만 신호가 증가한다. 이 기술의 핵심인 귀금속 나노구조체는 기존에는 고가의 나노공정장비를 통해 제조되어 왔지만, 박성규 박사팀은 간단한 레이저 빔의 간섭현상을 이용한 광간섭 식각법을 활용해 대면적에서 균일한 금속 나노구조체를 개발하는데 성공하였다.

 연구책임자인 김동호 박사는 "플라즈모닉 나노구조체를 기반으로 하는 나노광학분야는 화학 및 생물 감지시장에서 커다란 잠재력을 가지고 있다"며 "추가적인 공정최적화 및 핵심소재 개발을 통해 단일분자감지가 가능한 초고감도 화학센서를 실용화 할 계획"이라고 말했다.

 한편 센서시장은 환경용 센서가 가장 큰 시장을 형성하고 있으며, 국내 환경센서시장 역시 연평균 63%로 초고속 성장 중에 있지만, 환경 측정장비 및 센서 대부분은 수입에 의존하고 있다.
박성규 박사는 "이러한 높은 기술진입장벽을 극복하기 위해 원천기술을 개발하는 것이 시급한 과제"라고 말했다.