적외선 분광 증폭 메타물질 개발

입력일 : 2021년 06월 08일
[흥덕일보] 한지우 기자 = UNIST 전기전자공학과 이종원 교수팀과 한국기계연구원 정주연 박사 연구팀은 적외선 분광분석의 검출 신호를 키우는 메타물질을 개발했다고 발표했다.

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메타물질은 빛의 파장보다 짧은 초미세구조를 표면에 배열해 특수한 기능을 하도록 만든 물질이다. 자연에서 발견되지 않은 특성을 가지도록 인공적으로 설계된 물질이라 메타물질로 불린다.

이번에 개발된 메타물질은 적외선 빛을 흡수해 특정 용량까지 적외선 빛을 저장할 수 있는 '공진기'역할을 하도록 설계됐다.

연구팀은 이번에 개발된 메타물질을 쓰면 단일분자층의 중적외선(3~50마이크로미터 파장) 흡수를 0.36까지 끌어 올릴 수 있다고 밝혔다. 이는 메타물질이 없을 때(0.003) 보다 120배 이상 향상된 성능(적외선반사흡수분광법 기준)이며, 메타물질 기반 기존 기술과 비교해도 3배 이상 향상된 것이다.

이 기술은 메타물질 표면 미세구조가 빛 에너지를 모았다가(흡수) 이를 한 번에 분자에 쏘아줘, 분자가 흡수하는 빛의 양을 늘리는 원리인 근접장 강화 효과를 쓴다.

연구팀이 개발한 미세구조는 금속-절연체-금속 순서대로 쌓인 십자모양을 이룬다. 가운데 절연체의 두께가 10 나노미터로 얇아 상부 금속층과 하부 금속층 사이에서 더 강한 근접장 효과가 생긴다. 또 절연체만 안쪽으로 깎아내 만든 수직 갭 구조(금속 층간의 간격)를 통해 검출 분자가 근접장에 최대한 노출될 수 있도록 했다.

특히 개발된 메타물질은 대량 제조가 쉽고, 제조 공정도 저렴하다. 기존 메타물질은 표면에 미세구조를 만들기 위해서 고가의 고해상도 빔 리소그래피가 필요했으나 이번에 개발된 메타물질은 간단한 나노 임프린트 공법과 건식 식각 공정을 써 제조할 수 있다.

한국기계연구원 정주연 박사는 “금속-절연체-금속 순으로 얇게 적층한 뒤, 나노 임프린트 공법으로 위에 쌓인 금속과 절연체를 원하는 모양으로 뜯어낼 수 있다”며 “여기에 절연체를 깎는 건식 식각 공법을 더해 미세구조가 배열된 메타물질을 대량으로 만들 수 있다”고 설명했다.

이종원 교수는 “수직 방향의 갭 구조를 만들어 근접장 세기 강화와 근접장 노출 문제를 동시에 해결한 최초의 연구”라며 “적외선으로 생체분자, 유해물질, 가스 등을 검출하는 센서 기술에 광범위 하게 응용될 것”이라고 기대했다.
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