UNIST 에너지및화학공학부 박혜성 교수 연구팀.[UNIST 제공]

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[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 극미량의 농약이나 핵폐기물, 세균 식별을 가능케하는 초고감도 센서를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 박혜성 교수팀은 이차원 소재 기반의 ‘초고감도 표면 증강 라만 분광 센서’를 개발했다고 20일 밝혔다.

물질 내부의 분자는 외부에서 들어온 빛(레이저)에 반응해 새로운 광학 신호, ‘라만 신호’을 만든다. 라만 신호는 물질마다 다르므로 이를 분석하면 특정 물질을 검출하거나 특성을 알아낼 수 있다. 그러나 라만 신호의 세기는 약하기 때문에 센서를 이용해 증폭한 뒤 분석해야 한다. 기존 라만 신호 증폭방법은 안정성이 높으면 민감도가 떨어진다는 것이 문제로 지적돼왔다.

연구팀은 안정성이 높은 기존 화학적 증강(CM) 방식을 개선해 민감도도 높이는 방법을 찾았다. CM 방식으로 라만 신호를 증폭할 경우 센서와 검출 물질 간 전기적 상호작용이 활발해야 하는데, 이때 센서 물질의 에너지 밴드 레벨이 중요하다. 연구팀은 센서를 이루는 산화 레늄 박막을 합성할 때 산소농도를 실시간으로 조절, 전하이동이 원활해지는 최적화된 에너지 밴드 레벨을 맞췄다. 그 결과 라만 신호가 증폭돼 ‘민감도와 안정성을 모두 갖춘 원자층 수준의 얇은 SERS 센서’가 개발됐다.

특히 산화 레늄 박막을 그래핀 위에 합성하자 두 소재 간에 상호작용으로 라만 신호 증폭이 극대화돼, 펨토 몰 농도까지 검출 분자를 찾아낼 수 있었다. 이는 2차원 물질로 이루어진 CM 기반 SERS 기법 중 가장 우수한 기록이다. 또 이런 이종 구조는 뛰어난 유연성과 균일성도 갖췄다.

박혜성 교수는 “이번 연구로 새로운 조합의 이차원 이종구조 소재 합성법을 제시했다”며 “향후 이차원 소재 기반 초고감도 SERS 센서 연구에 크게 도움이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘나노 레터스’ 2월 3일자로 온라인 선공개됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

이종구조 센서의 라만신호 증폭효과.[UNIST 제공]

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