- 인천대 등 3개 공동 연구팀, 밀리미터파로 단일 금 나노입자 최초 감지 

- 광집게 기술과 나노 공진기로 감지 성공… Nano Letters 게재 -

뒷줄 좌측) 김태훈(인천대 물리학과 학부 4학년), 이덕형 교수(UNIST 물리학과 연구교수), 이지예 박사(삼성반도체 연구소), 김성훈(인천대 물리학과 석사과정생)

앞줄 좌측) 박영미 교수(인천대 물리학과 부교수), 김대식 교수(UNIST 물리학과 특훈교수), 서민아 교수(한국과학기술연구원 및 고려대학교 KU-KIST 교수)

인천대학교(총장 박종태) 물리학과 박영미 교수팀은 UNIST　김대식 교수팀, 한국과학기술연구원 및 고려대학교 KU-KIST 서민아 교수와 함께 단일 금 나노입자를 광집게 기술을 이용하여 밀리미터파로 감지하는 것을 세계 최초로 성공했다.

나노공진기인 보우타이 나노안테나로 밀리미터파를 나노미터 크기로 집속시키고, 집속된 곳에 광집게 기술을 이용하여 금 나노입자를 포획시켜 실시간으로 금 나노입자를 밀리미터파로 감지한 것이다.

주파수가 100 GHz – 10 THz이고 파장이 밀리미터 크기인 THz파(테라헤르츠파)는 6G 이동통신용 주파수 대역임과 동시에 생화학적 분자의 고유 진동에 민감해 비파괴 방식의 바이오 센싱 분야에 활용 가능성이 크다. 하지만 파장보다 매우 작은 크기의 물질을 감지하기 어려운 전자기파의 파장 한계 특성 때문에 마이크로미터 혹은 나노미터 크기의 입자를 테라헤르츠파로 감지하는 것은 매우 어렵다.

전자기파를 나노크기로 집속할 수 있는 테라헤르츠 나노공진기를 이용하여 파장 한계를 극복하려는 연구가 수행된 바 있으나, 전자기파가 집속된 곳에 나노물질을 정확하게 위치시키는 것이 어려웠다. 따라서 그동안의 연구에서는 다량의 나노입자를 나노공진기에 뿌려야 했고 특정 단일 나노입자를 감지하는 것은 불가능했다. 

연구팀은 이러한 문제점을 극복하기 위해 1)테라헤르츠파를 나노미터 크기로 집속시키는 보우타이 모양의 나노공진기를 제작하고, 2)빛으로 특정 나노입자를 원하는 위치에 포획하는 광집게 기술을 이용하여 단일 금 나노입자를 보우타이 나노공진기 내 테라헤르츠파가 강하게 집속되는 곳에 위치시켰다. 

연구팀은 금속 나노공진기를 이용하여 전자기파의 파장한계를 극복하는 연구 분야인 테라헤르츠 나노플라즈모닉스와 빛을 이용하여 단일 나노입자를 원하는 곳에 위치시키는 광집게 기술을 접목시켜 테라헤르츠 전자기파 반사 실험을 통해 밀리미터 파장으로 나노미터 크기인 단일 금속입자를 감지하는 데 성공하였다.

이번 연구는 나노입자를 이용한 분자감지 기술의 민감도를 향상시키는 방법을 제시하여 생명공학, 광화학, 의료 및 6G 통신용 테라헤르츠 능동메타소자 등에 활용될 것으로 기대된다. 연구를 주도한 박영미 교수는 “나노입자와 공진기의 상대적 위치에 따른 상호작용을 조절할 수 있는 획기적인 도구가 발명된 셈”이라며 “빛-물질 상호작용 연구에서도 새로운 전기가 마련됐다”고 덧붙였다. 

이번 연구는 세계적 권위의 국제 학술지인 나노 레터스(Nano Letters)에 5월 6일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 이뤄졌다.

(논문명: Optical Tweezing Terahertz Probing for a Single Metal Nanoparticle)

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01439

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연구 결과 개요

1. 연구배경

 금 나노입자는 분자 감지, 약물전달, 생체 이미징 등 다양한 응용에 활용되어왔다. 특히 금 나노입자의 플라즈모닉 효과는 생화학분자를 민감하게 감지할 수 있게 해준다. 한편 테라헤르츠파는 작은 광자에너지(~4 meV) 덕분에 생체에 열손상이나 이온화 효과가 적은 비파괴적 특성을 지니고 테라헤르츠(THz) 대역에는 생화학분자들의 회전/진동 모드가 존재하므로 테라헤르츠파를 이용한 생화학분자 감지 연구가 활발히 진행되어왔다. 따라서 테라헤르츠파로 금 나노입자를 감지하는 것은 궁극적으로 생화학분자를 민감하게 감지할 수 있는 길을 열어줄 것으로 기대된다. 그러나 금 나노입자는 테라헤르츠파의 파장보다 만 배 수준으로 작으므로 검출하는 것이 쉽지 않다. 테라헤르츠파를 나노미터 수준으로 집속시키는 테라헤르츠 나노공진기를 이용하면 금 나노입자 검출이 가능함을 보고한 연구 결과가 있으나 금 나노입자의 본격적인 활용을 위해서는 단일 금 나노입자를 테라헤르츠 나노공진기의 원하는 곳에 정교하게 위치시키는 기술이 필요했다.

2. 연구내용 

 연구팀은 광집게 기술과 나노공진기 기반의 테라헤르츠 시분해 분광법을 결합하였다. 광집게 기술은 빛을 이용하여 특정 나노입자를 원하는 곳에 위치시키는 기술이다. 본 연구에서는 광집게로 금 나노입자의 위치를 정교하게 조절하여 테라헤르츠파가 나노미터 크기로 집속되는 보우타이 안테나의 갭 부분에 위치시키고 테라헤르츠 보우타이 안테나 반사스펙트럼의 변화를 측정함으로써 금 나노입자를 실시간으로 검출하는 것에 성공하였다. 중앙에 수백 나노미터의 갭이 제작된 보우타이 안테나는 테라헤르츠 공명에 의해 갭 부분에 강한 전기장을 발생시키는데 갭에 배치된 금 나노입자는 이러한 전기장을 극적으로 감소시키므로 금 나노입자는 회절한계를 극복하여 검출된다. 이러한 실험결과는 시뮬레이션 계산을 통해서도 확인되었다. 생화학분자가 수 나노미터로 코팅된 금 나노입자가 광집게로 보우타이 안테나 갭 부분에 배치될 때 테라헤르츠 반사 신호 변화를 통해 생화학분자가 감지되는 것도 시뮬레이션 계산을 통해 확인하였다.

3. 기대효과 

 연구에서 제시한 광집게 시스템과 나노공진기 기반 테라헤르츠 분광법의 결합은 나노입자를 테라헤르츠 공진기 근처에서 자유자재로 배치할 수 있게 하므로 나노입자를 이용한 미량 생화학분자의 테라헤르츠파 감지 기술 개발에 새로운 돌파구를 제시한다. 또한 나노입자와 테라헤르츠 공진기의 플라즈모닉 효과를 극대화하여 강한 광-물질 상호작용 연구에도 활용할 수 있을 것이다.