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신기루 현상 착안해 테라헤르츠파 광학렌즈 개발
무더운 여름, 아스팔트 도로에 물웅덩이가 보이다가 가까이 다가가면 사라지고 좀 가다보면 또 물웅덩이가 나타난다. ‘신기루’라고 불리는 이 현상은 지표면 가까운 공기층의 큰 온도차로 인한 공기밀도 변화로 빛이 굴절되기 때문이다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수는 물리학과 안재욱 교수와 신기루 현상에서 착안한 물리적 효과를 이용해 테라헤르츠파 굴절률 분포형 렌즈를 세계 최초로 개발했다.
실리콘 소재를 곡면으로 가공해 만드는 카메라렌즈에 사용되는 기존방식과는 달리 이번에 개발된 렌즈는 평평한 실리콘 웨이퍼를 소재로 반도체 양산공정으로 제작해 비용을 최대 1/100 수준으로 낮출 수 있으며 제작시간도 훨씬 단축시킬 수 있다. 광원 추출효율은 4배 이상 향상시켰다.
테라헤르츠파는 0.1THz~30THz(테라헤르츠, 1조헤르츠) 대역의 전자기파로 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 물체의 내부를 높은 해상도로 정확히 식별할 수 있어 보안검색, 의료영상기술 등 비파괴 검사 도구나 의료용 진단기구의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.
그러나 넓은 대역의 주파수 특성으로 인해 손실되는 전자기파의 비율이 높아 테라헤르츠파를 높은 효율로 집중시킬 수 있는 광학소자 개발이 요구됐다.
정 교수 연구팀은 평평한 실리콘에 테라헤르츠파 파장(약 300㎛) 보다 작은 80~120㎛ 크기의 구멍을 반도체 양산방법인 광식각공정으로 만들었다. 렌즈 가장자리로 갈수록 홀 사이즈는 크게 만들었다.
테라헤르츠파를 쪼이자 공기와 실리콘 중 공기 비율이 높은 가장자리는 굴절률이 낮았으며, 상대적으로 공기의 비율이 낮은 가운데는 굴절률이 높았다. 평평한 소재를 광학특성을 공학적으로 설계해 빛을 모으는 볼록렌즈와 같은 기능을 한 것으로 신기루 현상과 같은 물리적 효과와 같다.
이번 연구를 주도한 정기훈 교수는 “자연현상에서 착안해 자연계에 존재하지 않는 다양한 광학특성을 띄는 메타물질을 인공적으로 만든 것”이라며 “물질적 제약으로 인해 다양한 광학소자개발이 더딘 테라헤르츠파 기술 진보에 상당한 도움이 될 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
미래창조과학부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구자지원사업, 그린나노기술개발사업, 글로벌프론티어사업의 일환으로 수행된 이번 연구는 미국물리협회에서 발간하는 귄위 있는 국제학술지인 ‘어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter)’에 9월자 특집논문 및 표지논문(제1저자 박상길 박사과정)으로 게재됐다.
그림1. 유전체 메타물질을 이용한 실리콘 굴절률 분포형 렌즈. 머리카락 굵기(80~120µm) 수준의 구멍이 실리콘 기판에 서로 다른 크기로 형성돼 있다.
그림2. 굴절률 분포형 렌즈 원리
그림3. 신기루 현상신기루는 아스팔트 도로 위에서 흔하게 나타나는 대기 굴절 현상이다. 이 현상은 도로면이 물체를 반사하는 것처럼 보이게 하는데 이 때문에 도로면에 물웅덩이가 있는 것처럼 착각하게 된다. 아래 사진에는 멀리서 다가오는 차의 상이 도로면을 통해 보인다. <사진 : 경기북과학고등학교 조영우 선생님 제공>
그림4. 논문표지
2014.09.24 조회수 20116 -
나노 바이오칩 질병진단 시대 본격 개막
정기훈 교수
- 1초이내 극미량의 용액 내 DNA 염기 검출 가능해 -
- 반도체 양산공정 활용해 상용화 성큼 -- 글로벌 신약개발 및 각종 질환 조기진단기술로서의 활용 기대 -
혈액 몇 방울로 집에서 암을 포함해 모든 질환을 진단할 수 있다는 연구 성과가 최근 쏟아져 나오고 있다. 첨단기술이 집약된 ‘바이오칩’ 덕분인데 KAIST 연구진이 이 칩을 상용화 할 수 있는 연구에 성공했다.
향후 실시간 초고감도 DNA 분석은 물론, 신약개발용 약물 스크리닝 등 다양한 질환의 조기진단기술에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 3차원 나노플라즈모닉스 구조를 이용해 검출가능 한계를 수십배 이상 향상시킨 초고감도 바이오칩 양산기술 개발에 성공했다.
이번 연구 성과는 재료 및 나노분야 세계적 학술지인 ‘어드밴드스 머터리얼스(Advanced Materials)’ 5월호(2일자) 표지논문으로 선정됐다.
나노플라즈모닉스는 금속나노구조표면에 빛을 집광시켜 특정파장의 세기를 크게 향상 시킬 수 있는 나노광학 분야다. 최근 DNA, 단백질, 항체 또는 세포 등을 감지하는 위한 바이오칩 개발에 필수적인 기술로 학계에서 커다란 관심을 받고 있다.
그러나 사람머리카락의 1/1000의 크기를 갖는 금속나노구조를 넓은 면적의 유리기판에 균일하게 제작하기가 어려워 상용화에 커다란 걸림돌이었다.
정기훈 교수 연구팀은 반도체 양산공정을 활용해 이를 해결했다.
연구팀은 유리기판 위에 은나노 필름을 입히고 열을 가해 은나노섬을 만들었다. 이후 반도체에 적용되는 식각공정을 이용해 3차원 금속나노구조를 유리기판에 균일하게 형성하고 나서 은나노 입자를 증착시켰다.
이 구조는 나노플라즈모닉 현상을 유발하는 다수의 나노갭을 갖고 있어 입사되는 빛의 세기를 수십배 향상시킬 수 있다. 또한, 상용화중인 반도체 증착공정을 그대로 사용 가능하기 때문에 즉시 양산기술에 적용할 수 있는 장점을 갖고 있다.
정기훈 교수는 “이 기술은 유리기판위에 표면강화라만분광기술을 접목해 별도의 형광물질 없이 나노몰 수준의 DNA 염기 4종류를 1초 안에 구분했다”며 “각종 질환을 조기에 진단할 수 있는 바이오칩을 일반 반도체공정을 이용해 넓은 면적의 기판 위에 3차원 나노구조를 저렴하고도 정밀하게 제작할 수 있는 양산기술을 확보하게 됐다”고 말했다.
한편, KAIST 바이오및뇌공학과 정기훈 교수(제1저자 오영재 박사과정 학생)이 수행한 이번 연구는 교육과학기술부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구자지원사업 등의 일환으로 실시됐다.
그림1. 유리기판에 넓은 면적으로 제작된 나노플라즈모닉 기판의 사진.
그림2. 나노플라즈모닉 기판의 전자현미경 사진(단면도) 및 전자기장 시뮬레이션. 전자현미경 사진은 3차원적인 금속나노구조가 형성된 것을 보여주고 있으며 이를 통해 나노미터 수준의 갭(gap)을 가진 구조를 설계해 국소 전자기장 극대화를 통해 라만분광 신호 증가를 유도하였음. 시뮬레이션은 나노갭에서 강화된 전자기장을 나타냄.
그림3. 초고감도 나노플라즈모닉 기판의 대면적(직경4인치) 나노공정 순서도.
a) 은나노섬을 증착해 식각과정의 마스크로 사용. b) 식각과정을 통한 유리 나노필라어레이(glass nanopillar arrays) 형성. c) 증착을 통한 다수의 나노갭을 가지는 나노플라즈모닉 구조 형성.
그림4. 좌측 : 정기훈 교수, 우측 : 오영재 박사과정(제1저자)
그림5. 논문표지
2012.05.02 조회수 15538 -
‘테라헤르츠파’를 아시나요?
정기훈 교수
- 광학나노안테나 접목해 테라헤르츠파 출력 최대 3배 향상시켜 -- 내시경 등 초소형 바이오 진단시스템 등 다양한 분야 응용 기대 -
광학계의 블루오션이라 불리는 ‘테라헤르츠파’의 출력이 KAIST 연구진에 의해 크게 향상됐다. 앞으로 휴대용 투시카메라나 소형 바이오 진단시스템 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 전망된다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 광학나노안테나 기술을 접목해 테라헤르츠파의 출력을 기존보다 최대 3배 증폭시키는 데 성공했다.
테라헤르츠파는 100GHz에서 30THz 범위의 주파수를 갖는 전자기파로, 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 투과력이 강할 뿐 아니라 X선보다 에너지가 낮아 인체에 해를 입히지 않는다.
이러한 특성으로 X-ray처럼 물체의 내부를 투과해 볼 수 있으며, 주파수 내에서 특정 영역을 흡수하기 때문에 X선으로는 탐지하지 못하는 우편물 등에 숨겨진 폭발물이나 마약을 찾아낼 수 있다. 심지어 가짜약도 판별해낼 수 있다.
또한, 분광정보를 통해 물질의 고유한 성질을 특별한 화학적 처리 없이 분석할 수 있어 인체에 손상이나 고통을 주지 않고도 상피암 등 피부 표면에 발생하는 질병을 효과적으로 즉시 확인할 수 있다.
테라헤르츠파는 펨토초(10-15초) 펄스레이저를 광전도 안테나가 형성된 반도체기판에 쪼여주면 피코초(10-12초) 펄스 광전류가 흐르면서 발생된다. 그러나 출력이 부족해 바이오센서 등 다양한 분야의 상용화에 어려움이 있어 그동안 과학자들이 출력을 증폭시키기 위한 많은 노력들이 이어졌다.
정 교수 연구팀은 광전도안테나 사이에 금 나노막대로 구성된 광학나노안테나를 추가하고 구조를 최적화했다. 그 결과 광전도기판에 나노플라즈모닉 공명현상이 발생되면서 광전류 펄스가 집적도가 높아져 출력이 최대 3배까지 증폭됐다.
이에 따라 물체의 내부를 더욱 선명하게 볼 수 있을 뿐만 아니라 생검을 하지 않고도 좋은 영상과 함께 성분 분석이 가능해졌다.
정기훈 교수는 “이번에 개발한 원천기술을 테라헤르츠파 소자 소형화 기술과 결합해 내시경에 응용하면 상피암을 조기에 감지할 수 있다”며 “앞으로 이 같은 바이오센서 시스템을 구축해 상용화하는 데 주력할 것”이라고 말했다.
바이오 및 뇌 공학과 박상길 박사과정, 진경환 박사과정, 예종철 교수, 이민우 박사과정, 물리학과 안재욱 교수가 공동으로 수행한 이번 연구는 나노분야 세계적 학술지 ‘ACS Nano" 3월호(27일자)에 실렸다.
한편, 이번 연구는 지식경제부 및 한국산업기술평가원의 산업융합기술/산업원천기술개발사업 및 교육과학기술부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구자지원사업 등의 일환으로 수행됐다.
그림1. 나노안테나를갖는THz 발생기 전자현미경사진: 광학나노안테나가 집적된 테라헤르츠 생성소자의 전자현미경 이미지.
그림2. NP-PCA 개념도: 광학나노안테나가 집적된 테라헤르츠 생성 소자의 개념도. 테라헤르츠 광전도 안테나 사이의 집적된 광학나노안테나에 의해, 광전류 펄스를 생성하는 펨토초 광펄스의 세기가 기판 표면에서 증가한다. 이를 통해 기존 테라헤르츠 생성소자의 테라헤르츠 출력 파워를 증가 시킬 수 있다.
그림3.나노안테나를갖는THz 발생기모식도 : 광학나노안테나에 의한 증가되는 테라헤르츠 파 출력의 가상도.
2012.04.23 조회수 21070