▲ 반사색이 연속적으로 변하는 광결정 분광기의 저배율 및 고배율 사진. 분광기가 손톱크기로 초소형화 되었음을 확인할 수 있다)

오팔은 크기가 수백 나노미터(머리카락 굵기의 약 100 분의 1정도)의 유리구슬이 차곡차곡 쌓여 있는 것으로서, 그것이 아름다운 색을 띄는 것은 오팔이 선택적으로 반사하는 파장영역대의 빛만을 우리가 볼 수 있기 때문이다. 이렇게 오팔보석이 발산하는 아름다운 색깔은 색소에 의한 것이 아니라 이 물질을 이루는 구조가 규칙적인 나노구조로 되어 있기 때문이며 이러한 구조를 광결정이라 한다. 이러한 구조의 광결정은 특정한 파장 영역대의 빛만을 완전히 선택적으로 반사시키는 기능을 보유하게 된다.

KAIST 생명화학공학과 양승만 교수팀 (광자유체집적소자 창의연구단)은 파장이 서로 다른 빛들을 반사하는 오팔 광결정을 미세소자에 연속적으로 도입하여 무지개 같은 띠 모양으로 제작할 수 있는 기술을 확보했으며 이를 이용해 극미량의 물질을 정밀하게 분석할 수 있는 칩 크기 수준의 미세분광기를 최근 제조했다.

사람마다 고유한 지문을 갖듯이 물질을 이루는 분자도 고유한 지문을 갖는데 이는 분자마다 특정 파장의 빛만을 선택적으로 흡수하거나 방출하는 독특한 스펙트럼을 갖기 때문이다.

따라서, 물질을 구성하는 분자를 광학적으로 인식하기 위해서는 분광분석기 (spectrometer)라는 기기가 필요하며 이는 물질이 갖고 있는 다양한 광정보 처리를 위해 광자소자 및 분석소자를 구성하는데 꼭 필요한 요소 중 하나이다.

그러나 기존의 분광기는 파장에 따른 빛의 공간적 분할을 위한 격자(grating) 및 빛의 진행에 필요한 공간을 요구하므로 고가의 큰 장치로만 제작이 가능하였다.

최근에 많은 주목을 받고 있는 생명공학의 산업적 이용이나 신약개발을 위해서는 부피가 나노리터(10-9L)~펨토리터(10-15L) 정도의 극미량의 샘플을 처리해야 하므로 분석실험실을 반도체 칩과 같이 초소형화한 소위 ‘칩위의 실험실: Lab on a Chip’이 필연적으로 요구된다.

이를 구현하기 위해서는 칩 내부에 분광분석기와 같은 분석소자를 설계해 도입해야 하나 기존의 기술로는 현실적으로 불가능 했다.

이번 연구 결과는 초소형 분석소자의 실용성을 구현하는데 크게 기여한 점을 인정받아 국제적 저명학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 3월호 표지논문(cover paper)으로 게재됐다. 또한, 나노기술 분야의 세계적 포털사이트인 Nanowerk (http://www.nanowerk.com/)는 이번 연구결과를 ‘광결정으로 미세 분광기를 만들다(Photonic crystals allow the fabrication of miniaturized spectrometers)’라는 제목의 스포트라이트(Spotlight)로 소개하기도 했다.

칩규모의 초소형 물질감지소자는 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이다. 이번 연구의 결과는 초소형 분광분석기 구조를 자기조립법으로 만든 최초의 사례로서 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다.

기본 원리는 아래 그림과 같이 다른 반사스펙트럼을 갖는 콜로이드 광결정을 패턴화하면 미지의 빛이 입사할 경우 반사하는 빛의 세기만을 통해 입사한 미지의 빛의 스펙트럼을 알아낼 수 있다는 것이다.

이러한 아름다운 반사색을 보이는 광결정은 오팔보석, 공작새 깃털, 나비날개, 딱정벌레 등 자연계에 많이 존재하는데 양 교수 연구팀에서는 이를 규칙적으로 패턴화하여 전체 가시광 영역에서 배열한 것이다. 이러한 광결정을 이용하면 공간에 따른 빛의 세기분포를 파장에 따른 빛의 세기분포 즉 스펙트럼으로 물질을 이루는 분자를 재분석해낼 수 있다. 이는 기존의 분광기와는 달리 긴 진행거리를 요구하지 않기 때문에 소형화가 가능하고 신호의 검출은 미세검출기 배열을 통해 가능할 것으로 예상된다.

▲ 그림2. 가시광 영역에서 반사스펙트럼을 갖는 콜로이드 광결정. (내부의 나노구조는 나비날개와 공작새 깃털 구조의 광결정와 유사하다)

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