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단분자 검출하는 나노안테나 기술 개발

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단분자 검출하는 나노안테나 기술 개발

2020.09.03 14:47
노준석 포스텍 교수 연구진 초고밀도로 빛을 모으는 나노광학 안테나 기술 개발
극한 광 집속 나노안테나 모식도. 과기정통부 제공.
극한 광 집속 나노안테나 모식도. 과기정통부 제공.

국내 연구진이 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 수준에서 일어나는 양자과학 현상을 관찰할 수 있는 나노광학 안테나를 개발했다. 나노광학 안테나는 원자 수준으로 뾰족한 빛을 초고밀도로 모으는 기술을 말한다.

 

노준석 포스텍 기계공학과·화학공학과 교수 연구팀은 원자 수준 해상도의 나노광학 안테나 및 이를 제작하기 위한 나노공정 기술을 개발했다고 3일 밝혔다. 현존하는 나노공정 기술의 한계를 극복한 연구성과다. 나노광학 및 나노생산 기술에 기여할 것으로 기대된다. 연구결과를 담은 논문은 재료공학 분야 국제학술지 ‘머티리얼즈 투데이’ 2일자(현지시간) 표지논문으로 게재됐다.

 

새로운 광학 현상을 탐구하려면 10nm 미만의 구조를 정교하게 제작하고 배열하는 기술이 필수적이다. 많은 연구자들이 비전통적인 나노가공 기술을 개발하고 있지만 10nm 이하의 나노 구조를 정교하고 날카롭게 제작·가공하는 데 어려움을 겪고 있다. 전자와 이온의 물리적 특성인 ‘회절’ 문제 때문이다. 

 

회절은 전자와 이온이 모두 전하를 갖고 있어 서로 상호작용하는 특성이다. 강한 전압으로 빛을 모으려 해도 모을 수 있는 빛의 크기가 제한된다.

 

연구팀은 이같은 문제를 해결하기 위해 ‘도미노’ 놀이에서 영감을 얻어 새로운 방식의 ‘연속 도미노 리소그래피’ 기술을 개발했다. 이 기술은 빛에 노출되면 화학적 특성이 변하는 고분자 재료 ‘포토레스트’로 기둥 형태의 구조를 만들어 나노 패턴을 만들어내는 나노공정 기술이다. 

 

연구팀은 이 기술을 통해 기존 전자빔 리소그래피에서 제한됐던 해상도를 원자 수준으로 뾰족하게 만들어 ‘나비넥타이’ 모습의 나노안테나를 개발하는 데 성공했다. 

 

개발한 나노안테나는 1nm 이하의 곡률을 가지는 동시에 5nm 정도의 나노갭 공간을 갖는다. 이 미세 공간상의 빛을 5만 배 이상의 세기를 가지며 극한으로 모인다. 강하게 모이는 빛을 바탕으로 단분자 수준을 검출할 수 있는 초고민감도 바이오센서를 실험적으로 구현하는 데 성공했다. 

 

연구팀이 개발한 나노안테나는 현재 반도체 및 파운드리 산업에서 가장 중요한 이슈 중 하나인 단일 나노미터 수준의 해상도를 갖는 나노 리소그래피 기술, 양자정보 기술을 위한 고효율 단일 광자 소스 등과 같은 새로운 나노공학 분야를 개척할 수 있을 것으로 기대된다. 

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