마이크로피펫 기반 3차원 자기 조립법 개발 성공

실험실에서 흔히 쓰는 마이크로피펫을 이용해 미세 반응 검출에 용이한 ‘국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR, Localized Surface Plasmon Resonance)’이 가능하도록 한 손쉬운 3차원 자기 조립법이 개발돼, 향후 바이러스와 돌연변이 진단 시스템 개발 등 활용 폭을 넓혀 갈 전망이다.

부산대학교(총장 차정인)는 나노에너지공학과 오진우 교수 연구팀이 국소 표면 플라즈몬 공명이 가능한 3차원 구조물 및 이종 구조체를 쉽고 단순하게 제작할 수 있는 3차원 자기 조립 방법을 개발했다고 22일 밝혔다.

‘플라즈몬’은 물질 내의 전자들이 동시에 진동하는 현상으로, 금속이 나노 크기일 경우 자유 전자의 움직임으로 ‘표면 플라즈몬 공명’이라는 전자들의 집단적인 진동 현상이 나타나 독특한 광학적 성질을 갖게 된다.

특히 주위 환경에 민감하게 반응하는 ‘국소 표면 플라즈몬 공명’에서는 변화를 측정해 물질의 미세한 반응을 검출할 수 있어 바이오 및 가스, 화학·환경 등 많은 분야에서 응용 연구가 진행되고 있다.

또한 국소 표면 플라즈몬 공명이 가능한 금속 나노입자는 나노미터 스케일의 광학 소자를 제작하기 위한 기본적인 단위 물질로 큰 관심을 받아 왔다.

다수의 금속 나노입자를 클러스터화 하는 것은 가시광선 파장 이하 크기의 나노 구조체에서 빛을 제어하는 효과적인 방법이다. 나노입자 클러스터를 제작하기 위한 공정 방법론으로 다양한 리소그래피 및 자기 조립법이 연구되고 있는데, 자기 조립법이 3차원 나노입자 클러스터를 제작하는 효과적인 방법론으로 주목되고 있다.

하지만 대부분의 자기 조립법들은 나노입자의 적층 구조체를 제작하는 것은 가능하지만 복잡한 형상의 3차원 구조물을 제작하는 데는 한계가 있다. 또한 두 종류 이상의 입자가 균일하게 분포돼 있는 이종 구조체를 제작하기에도 어려움이 따른다.

이번 연구에서는 마이크로피펫을 이용한 금속 나노입자 및 다양한 나노 물질들의 3차원 자기 조립 방법을 제시했다.

연구에 사용된 마이크로피펫은 유리 모세관을 가열한 후 정밀하게 제어된 속도로 잡아당겨 말단에 수 마이크로미터 정도의 구경(口徑)이 형성되도록 준비했다. 금속 나노입자 용액을 주입한 마이크로피펫을 전동 모터를 이용해 기판에 접촉한 후 잡아 당겨 올려 나노 구조체를 제작할 수 있다.

마이크로피펫의 말단 구경이 수 마이크로미터에 불과하기 때문에 마이크로피펫과 기판 사이에 맺히는 액적(액체방울)은 높은 비표면적에 의해 빠른 증발속도를 가지게 되며, 용매의 빠른 증발에 의해 나노입자 클러스터가 제조되는 원리다.

이번 연구를 통해 개발한 자기 조립법을 활용해 다양한 3차원 구조물 제작에 성공했으며, 이러한 3차원 구조물들은 나노입자 클러스터로 구성돼 있다.

특히 두 가지 이상의 나노입자 및 나노물질 용액을 혼합해 마이크로피펫에 주입 후 자기 조립 공정을 수행함으로써 이종 나노입자 클러스터를 제작하는 데 성공했다. 이러한 이종 나노입자 클러스터는 양자점의 특성을 제어하거나 바이러스 등의 병원체를 검출하는 센서 플랫폼으로 활용할 수 있음을 증명했다.

이번 연구를 통해 개발한 마이크로피펫 기반 자기 조립법은 국소 표면 플라즈몬 공명을 나타내는 나노 구조체의 제조에 있어 전례 없는 단순성과 설계 자유도를 제공한다. 3차원 형상의 구조를 쉽게 제작할 수 있기 때문에 근거리장 및 원거리장 특성을 효과적으로 제어할 수 있다.

특히, 이종 나노 구조체를 제작함으로써 표면 플라즈몬 공명 현상을 다양한 응용 분야에 적용하는 것이 가능하다. 다양한 나노입자를 양자점과 함께 클러스터화 함으로써 양자점과 국소 표면 플라즈몬 공명 간의 상관 관계를 연구할 수 있는 손쉬운 방법을 제시했다는 점에서 큰 의의를 가진다.

연구팀이 개발한 기술의 가장 큰 잠재력은 바이러스와 그 돌연변이를 진단하기 위한 표면 증강 분광법 센서로 사용될 수 있다는 점이다. 병원 현장에서 환자의 체액을 채취하고 금속 나노입자 용액과 혼합 후 이종 나노입자 클러스터를 제작함으로써 빠르고 정확한 진단이 가능한 진단 플랫폼을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

향후 마이크로피펫 기반 자기 조립의 제조 공정 속도 향상이 이루어진다면 대면적 3차원 구조물 제작을 통해 최근 많은 주목을 받고 있는 메타물질 및 메타표면 제작을 위한 획기적인 제조 공정법으로 대두될 것으로 기대된다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 미래소재디스커버리 사업단인 부산대 오진우 교수팀의 ‘파지 메타물질 연구단’과 포항공대 노준석 교수팀의 ‘제로에너지 냉각소재 연구사업단’ 간의 공동 연구를 통해 수행됐다.

부산대 김원근 박사와 한림대 이종민 교수, 포항공대 양영환 박사가 주 연구자로 참여했고, 부산대 오진우 교수, 홍콩대 김지태 교수, 포항공대 노준석 교수가 교신저자를 맡았다.

해당 연구 결과는 나노과학 분야의 권위지인 '나노 레터스(Nano Letters)' 5월 27일자에 게재됐다.

김형일 부산닷컴 기자 ksolo@busan.com