국내 연구진이 고감도 바이오 센서 개발에 사용할 수 있는 3차원(D) 퀀텀닷(양자점) 구조체 제작 공정을 개발했다.
한국과학기술원(KAIST)과 동국대 공동 연구진이 초미세 전사인쇄 기술을 이용해 3D 퀀텀닷 구조체로 세계 최고 성능의 광학 특성을 구현하는 데 성공했다고 27일 밝혔다. 이번 연구는 정연신 KAIST 신소재공학과 교수, 장민석 KAIST 전기및전자공학부 교수, 최민재 동국대 화공생물공학과 교수가 참여했다.
퀀텀닷은 반도체를 나노 크기의 입자로 만들어 같은 재료로도 여러 색의 빛을 낼 수 있도록 하는 기술이다. 기존 디스플레이로 사용되던 발광다이오드(LED)보다 다양한 색을 낼 수 있어 디스플레이와 광학 기술 산업에서 차세대 소재로 주목을 받고 있다. 3D 퀀텀닷 구조체는 퀀텀닷에 미세 구조를 입혀 빛의 진폭, 위상, 편광 같은 광학적인 특성을 정밀하게 조작할 수 있는 특성을 갖고 있다. 빛을 이용해 산업 공정, 기초과학을 연구하는 포토닉스 분야에서 차세대 물질로 주목 받고 있다.
하지만 3D 퀀텀닷 구조체는 제작 비용이 비싸고 복잡한 구조를 구현하는 데 어렵다는 한계가 있다. 구조를 만들 때도 사용할 수 있는 재료가 제한되며, 두께는 수십㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m)에 불과해 수율이 낮다는 문제가 있다.
연구진은 콜로이드 물질을 이용해 3D 나노구조체 제작 한계를 극복했다. 콜로이드는 액체 속에 아주 작은 입자가 고르게 퍼져 있는 용액을 말한다. 우유가 대표적인 콜로이드 용액이다. 콜로이드 용액은 필름을 기판 위에 강하게 밀착시켜 붙이는 ‘전사인쇄’ 기법으로 쌓아 올렸다. 이 방식은 콜로이드 용액 필름을 쌓는 각도와 농도에 따라 두께와 구조를 제어할 수 있어 필요한 광학 특성을 구현할 수 있다.
연구진은 우선 2D 나노격자구조를 갖는 물질을 제작했다. 그 결과, 기존 퀀텀닷 막보다 광발광(PL) 성능이 7.8배 향상됐다. 광발광은 물질이 전자기파를 받아 가시광선을 내놓는 특성이다. 광발광 성능이 우수하다면 작은 전자기파 변화를 민감하게 측정할 수 있다는 의미다.
3D 퀀텀닷 구조체도 만들어 ‘원편광 이색성’ 특성이 세계 최고 수준인 21도를 기록했다. 기존 3D 퀀텀닷 구조체 중 가장 우수한 원편광 이색성은 19도 수준이었다. 원평광 이색성은 물질이 방향에 따라 빛의 파장 차이를 인식하는 현상이다. 원평광 이색성이 우수한 물질은 단백질을 비롯한 유기물의 구조를 분석하는 용도로 사용할 수 있다.
연구진은 이번에 개발한 기술을 활용하면 생체 분자를 검출하는 플랫폼(기반 기술) 개발에 사용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 신약 개발을 개발할 때 대부분의 시간이 소모되는 약물 스크린에도 활용할 수 있다.
정연식 교수는 “퀀텀닷뿐 아니라 다양한 고성능 콜로이드 소재를 이용해 3D 나노 구조로 만들고, 고감도 바이오센서 분야에서 새로운 장을 열 것으로 기대된다”며 “광학 설계, 분석 연구, 초미세 나노공정 기술이 융합해 이룬 성과”라고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 지난달 14일 소개됐다.
참고 자료
Nature Communications(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51179-y