[과학을 읽다]민감도 뛰어난 나노레이저 압력센서 개발

고려대 연구팀, 관련 논문 발표

▲광결정 나노레이저.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자] 민감도가 뛰어나고 측정범위도 넓어진 나노레이저 압력센서가 개발됐습니다. 이를 응용하면 큰 건물의 구조변화부터 생체 내부의 화학반응 감지까지 가능합니다.

플렉서블 기판에서 동작하는 다양한 전자소자는 작은 변화에도 민감하게 반응해 구조적 결함이나 외부 환경의 변화를 정밀하게 측정할 수 있습니다. 상대적으로 크기가 크고 넓은 동작 범위와 높은 민감도를 동시에 만족시키기는 어렵습니다.

플렉서블 전자소자의 민감도가 높다면 작은 압력의 변화만을 측정할 수 있거나 큰 압력의 변화를 측정하고자 한다면 민감도가 떨어지는 등의 문제가 있었던 것이죠. 반면 레이저는 하나의 파장(색깔)만을 갖기 때문에 레이저의 파장 변화를 이용하면 궁극적으로 가장 민감한 센서를 만들 수 있습니다.

나노 구조를 이용해 만든 나노레이저는 크기가 빛의 파장 정도인 수백 나노미터 정도로 매우 작고 외부 압력에 따라 특성 변화가 크다는 장점이 있죠. 높은 민감도와 큰 압력 변화에 대한 측정이 가능하도록 나노 레이저를 이용한 새로운 압력 센서 개발의 필요성이 있었습니다.

연구팀은 못과 같은 모양이 반복적으로 배열돼 있는 광결정 구조를 플렉서블 기판에 넣어서 유연한 광결정 나노레이저를 제작했습니다. 레이저 구조를 잡아당기거나 압축하는 등 외부 압력을 가하면 레이저 파장이 변하는 새로운 형태의 나노레이저입니다.

광결정 레이저는 광결정 구조의 격자 주기에 의해 레이저 파장이 결정됩니다. 외부 압력에 따라 광결정의 격자 주기가 변하고 레이저 파장이 변하게 됩니다. 이런 원리를 이용하면 구조에 가해지는 압력이나 구조의 변화를 측정할 수 있습니다. 레이저는 파장의 선폭이 매우 좁아서 파장의 변화를 민감하게 감지할 수 있기 때문에 센서로서의 활용도가 높습니다.

미세한 구조 변화에 따라 광결정 레이저 파장이 얼마나 바뀌는지를 체계적으로 측정하는 실험을 수행했습니다. 제작한 유연한 광결정 레이저는 -10% 에서 12% 까지 변형되는 동안 약 26nm의 레이저 파장 변화를 보여줬습니다.

레이저 파장의 선폭이 약 0.6 nm 이하임을 고려하면 매우 큰 폭의 파장 변화입니다. 센서의 눈금에 해당하는 선폭은 매우 좁고 동작 범위는 넓기 때문에 높은 감도의 압력 센서로 동작할 수 있습니다.

외부 압력에 따라 레이저의 파장이 변하는 이 압력 센서는 기존 전자소자 기반의 센서에서 나타나는 문제를 해결해 구조가 0.5% 미만으로 변해도 측정할 수 있을 만큼 민감도가 뛰어납니다.

박홍규 고려대 교수 연구팀이 수행했습니다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 5월 12일자(논문명:A high-resolution strain-gauge nanolaser)에 실렸습니다.

박 교수는 "이번 연구는 다리와 같은 큰 건축물의 구조 변화에서부터 생체 내부의 화학 반응을 감지할 수 있는 초소형 바이오 센서에까지 널리 응용될 수 있다"며 "세포의 화학적 성분이나 모양 변화를 민감하게 검출 할 수도 있어 몸 속 암세포의 유무 등을 정확하게 확인할 수 있을 것"이라고 말했습니다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr