인천대학교 박영미 교수팀은 UNIST 김대식 교수팀, 한국과학기술연구원 및 고려대학교 서민아 교수와 협력하여 세계 최초로 단일 금 나노입자를 광집게 기술을 이용해 밀리미터파로 감지하는 데 성공했다. 연구팀은 보우타이 나노안테나를 사용해 밀리미터파를 나노미터 크기로 집속시키고, 광집게 기술로 금 나노입자를 정확한 위치에 포획하여 실시간으로 감지했다. 이 연구는 6G 이동통신, 생명공학, 의료 분야 등에 큰 잠재력을 지니며, 나노입자와 공진기의 상호작용을 조절할 수 있는 새로운 도구를 제시했다. 연구 결과는 나노 레터스(Nano Letters)에 게재되었고, 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원의 지원을 받았다.
인천대학교(총장 박종태) 물리학과 박영미 교수팀은 UNIST 김대식 교수팀, 한국과학기술연구원 및 고려대학교 KU-KIST 서민아 교수와 함께 단일 금 나노입자를 광집게 기술을 이용하여 밀리미터파로 감지하는 것을 세계 최초로 성공했다.
나노공진기인 보우타이 나노안테나로 밀리미터파를 나노미터 크기로 집속시키고, 집속된 곳에 광집게 기술을 이용하여 금 나노입자를 포획시켜 실시간으로 금 나노입자를 밀리미터파로 감지한 것이다.
주파수가 100 GHz – 10 THz이고 파장이 밀리미터 크기인 THz파(테라헤르츠파)는 6G 이동통신용 주파수 대역임과 동시에 생화학적 분자의 고유 진동에 민감해 비파괴 방식의 바이오 센싱 분야에 활용 가능성이 크다. 하지만 파장보다 매우 작은 크기의 물질을 감지하기 어려운 전자기파의 파장 한계 특성 때문에 마이크로미터 혹은 나노미터 크기의 입자를 테라헤르츠파로 감지하는 것은 매우 어렵다.
전자기파를 나노크기로 집속할 수 있는 테라헤르츠 나노공진기를 이용하여 파장 한계를 극복하려는 연구가 수행된 바 있으나, 전자기파가 집속된 곳에 나노물질을 정확하게 위치시키는 것이 어려웠다. 따라서 그동안의 연구에서는 다량의 나노입자를 나노공진기에 뿌려야 했고 특정 단일 나노입자를 감지하는 것은 불가능했다.
연구팀은 이러한 문제점을 극복하기 위해 1)테라헤르츠파를 나노미터 크기로 집속시키는 보우타이 모양의 나노공진기를 제작하고, 2)빛으로 특정 나노입자를 원하는 위치에 포획하는 광집게 기술을 이용하여 단일 금 나노입자를 보우타이 나노공진기 내 테라헤르츠파가 강하게 집속되는 곳에 위치시켰다.
연구팀은 금속 나노공진기를 이용하여 전자기파의 파장한계를 극복하는 연구 분야인 테라헤르츠 나노플라즈모닉스와 빛을 이용하여 단일 나노입자를 원하는 곳에 위치시키는 광집게 기술을 접목시켜 테라헤르츠 전자기파 반사 실험을 통해 밀리미터 파장으로 나노미터 크기인 단일 금속입자를 감지하는 데 성공하였다.
이번 연구는 나노입자를 이용한 분자감지 기술의 민감도를 향상시키는 방법을 제시하여 생명공학, 광화학, 의료 및 6G 통신용 테라헤르츠 능동메타소자 등에 활용될 것으로 기대된다. 연구를 주도한 박영미 교수는 “나노입자와 공진기의 상대적 위치에 따른 상호작용을 조절할 수 있는 획기적인 도구가 발명된 셈”이라며 “빛-물질 상호작용 연구에서도 새로운 전기가 마련됐다”고 덧붙였다.
이번 연구는 세계적 권위의 국제 학술지인 나노 레터스(Nano Letters)에 5월 6일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP)의 지원을 받아 이뤄졌다.
(논문명: Optical Tweezing Terahertz Probing for a Single Metal Nanoparticle)
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