^*중적외선: 빛(전자기파) 진동수(파장)에 따라 가시광선, 적외선, 자외선 등으로 나뉘며, 중적외선은 적외선 영역에서 파장 3 – 50마이크로미터(10-6m)의 빛을 말한다. 적외선 분광분석에서 주로 쓰이는 파장대역이다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

메타물질1) 기반의 적외선 분광기술2)은 기존 적외선 분광기술의 감도를 높일 수 있어 많이 연구되고 있다. 메타물질은 파장보다 작은 미세구조체의 배열된 물질로, 미세구조체 설계에 따라 작동 파장의 유효 유전율 및 투자율을 조절할 수 있고, 이를 통해 입사된 적외선 빛을 대부분 흡수해 구조 주위에 거대한 근접장 강화 효과를 일으킨다. 이러한 메타물질 흡수체를 적외선 영역 분자 검출에 적용할 경우, 중적외선 영역에 존재하는 검출분자 고유의 진동 모드와 강력한 상호작용을 통해 매우 증폭된 분자진동 스펙트럼을 얻을 수 있다.

일반적으로 메타물질 기반 흡수체(공진기)는 금속-유전체(절연체)-금속 층으로 구성되는데, 완벽한 흡수체 달성을 통한 근접장3) 강화를 위해서는 유전체 두께가 수십 또는 수백 나노미터 수준으로 얇아 했다. 또 대부분의 근접장은 유전층과 상부 금속층 계면사이에 유도되기 때문에 검출 분자가 근접장에 제대로 노출 되지 못했다. 근접장이 강하게 생기는 유전층을 활용하는 것이 불가능했던 것이다. 게다가 메타물질 제조과정에서 고가의 고해상도 빔 리소그래피 등이 필요하는 등 대량 생산에 어려움에 있었다.

2. 연구내용  

연구팀은 입사된 중적외선 특정 파장을 빛을 대부분 흡수해 거대 근접장 강화와 센싱 표면(근접장 노출) 노출 극대화를 동시에 달성 할 수 있는 메타물질 표면 미세구조를 개발했다. 금속-유전체-금속 순으로 적층한 뒤 나노 임프린트 공법을 통해 상부에서 볼 때 십자 모양 미세구조가 배열된 메타물질을 만들었다. 이 메타물질의 미세구조의 유전체 층만을 측면에서 안쪽 방향으로 깍아내 수직 갭 구조를 만들었다.

개발된 메타물질을 이용해 1-octadecanethiol(ODT)분자를 검출하는 실험을 했다. 실험 결과 두 금속층 사이의 나노 갭 표면에서 유도되는 거대 근접장 강화 효과는 분자 진동 모드와 강력하게 상호 작용해 적외선 흡수 신호를 매우 크게 증폭 시킬 수 있다는 것을 밝혔다. 적외선 분광 분석을 찾으려는 물질 분자가 적외선을 많이 흡수 할수록 검출 신호가 커진다.

이번에 개발한 메타물질의 단위구조체는 십자형 안테나 형상으로 설계돼 적외석 빛의 편광선택성을 완화하였으며, 나노 임프리트 리소그래피와 등방성 건식 식각 공정을 통해 초미세 단위 구조체를 쉽게 제작 가능해 대량생산이 유리하다.

3. 기대효과

초소형화 및 대량생산이 가능한 센싱 플랫폼으로써, 차세대 생체분자, 유해물질, 가스 센서 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 메타물질 (Metamaterials)

이차원의 파장보다 작은 미세구조들의 표면에 배열된 구조체로써, 파장보다 작은 빛의 다양한 특성을 조절 할 수 있다. 자연에서 발견되지 않은 특성을 가지도록 인공적으로 설계된 물질이라 메타 물질로 불린다. 이번 연구에는 개발된 메타물질은 적외선 빛을 흡수해 특정 용량까지 적외선 빛을 저장할 수 있는 하나의 '공진기(Resonator)'역할을 하도록 설계됐다. 이러한 특성은 메타물질을 구성하는 기본 물질의 특성이 아니라 물질이 만드는 미세 구조에 의해 생긴다.

2. 적외선 분광기술

물질에 빛을 쪼여 반사되거나 투과한 빛의 스펙트럼을 분석해 물질 성분 등을 분석하는 기술을 분광 분석이라 한다. 적외선 분광분석은 빛 중 적외선 영역을 사용하는 기술이다. 이번에 개발된 기술은 분자의 진동운동 주파수와 중적외선 주파수가 일치하면 분자가 자신의 고유 진동주파수와 일치하는 중적외선 주파수만 선택적으로 흡수하는 현상을 이용한다. 전체 중적외선 스펙트럼 영역중 감소한 주파수 영역을 읽어내면 샘플을 성분을 알 수 있다. 다양한 유해물질, 생체분자 등의 검출에 쓸 수 있는 기술이다. 한편 빛을 흡수한 분자는 분자 진동이 증폭된다.

3. 근접장(Near field)

국소 부위에 빛(빛 입자)이 머무르는 현상. 메타물질(적외선 공진기)은 근접장을 강화시키는 역할을 한다. 메타물질이 적외선 광자를 거의 대부분 흡수한 뒤, 흡수한 적외선 광자가 메타물질 표면 축적돼 근접장이 강화된다. 이 근접장 에너지가 검출분자에게 한꺼번에 전달(커플링)되면서 검출 분자에 전달되는 빛 세기(에너지)가 커져 빛 흡수율이 높아진다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 개발된 메타물질의 전자현미경사진과 초미세구조체 모형. (좌측) 개발된 메타물질의 전자현미경 사진 이미지. 상부에서 보았을 때 십자 모형인 메타물질 미세구조체가 배열되어 있다 (가운데) 메타물질 미세구조체 모형(측면에서 본 모습). (우측) 10nm 수준의 나노 갭(gap)이 형성되어 있다.

그림 2. 적외선 분광분석법 측정 결과. (좌측) 위부터 아래 순서대로 수직 나노갭을 각각 30, 15, 10 나노미터로 만들어 측정한 결과이다. 검은색은 메타물질 흡수체의 반사율을, 붉은선은 검출분자(ODT)가 포함되었을 때의 반사율을 나타낸다. 검출분자(ODT)가 포함된 붉은 선은 증폭이 일어나지 않을 경우 푸른 점선과 같은 곡선을 보여야하지만 특정 구간(3.4-3.5)에서 솟아오르며 신호가 증폭된 것을 볼 수 있다. (우측) 수직 나노갭 두께에 따른 검출 분자의 반사 차이 검출 신호 스펙트럼. 10nm(나노미터)급 수직 나노갭을 갖는 메타물질에서 약 36%의 반사차이 검출 신호를 실험적으로 입증했다.