박홍규 고대 연구팀, 나노레이저 압력센서 개발

압력에 따라 빛의 색깔이 달라지는 센서

박홍규 고려대 교수 연구팀이 최근 유연한 나노레이저에 미세한 압력이 가해지면 레이저 색깔(파장)이 바뀌고, 이를 이용해 민감도가 뛰어난 신규 압력 센서를 세계 최초로 개발했다고 밝혔다. 이 기술을 응용하면 큰 건물의 구조변화부터 생체 내부의 화학반응 감지까지 가능하다.

레이저의 특징과 장점
플렉서블 기판에서 동작하는 다양한 전자소자는 작은 변화에도 민감하게 반응하기 때문에, 구조적 결함이나 외부 환경의 변화를 정밀하게 측정할 수 있다. 하지만 상대적으로 크기가 크고 넓은 동작 범위와 높은 민감도를 동시에 만족시키기는 어려웠다.
플렉서블 전자소자의 민감도가 높다면 작은 압력의 변화만을 측정할 수 있거나 큰 압력의 변화를 측정하고자 한다면 민감도가 떨어지는 등의 문제가 있었기 때문이다.
반면 레이저는 하나의 파장(색깔)만을 가져 레이저 파장 변화를 이용하면 가장 민감한 센서를 만들 수 있다. 나노 구조를 이용해 만든 나노레이저는 크기가 빛의 파장 정도인 수백 나노미터 정도로 매우 작고 외부 압력에 따라 특성 변화가 크다는 장점이 있다.
 
민감한 파장의 변화 감지 가능
연구팀은 빛을 굴절시키는 정도가 다른 두 물질을 유연한 기판에 못을 박듯 교대로 심어 ‘광결정 구조’를 만들었다. 두 물질 사이사이에는 빛을 내는 반도체를 넣었다. 나노레이저로 구조물을 잡아당기거나 압축하면 구조물이 내는 빛의 색이 변한다.
광결정 레이저는 파장의 선폭이 좁아서 파장의 변화를 민감하게 감지할 수 있어 센서로서 활용도가 높다.
연구팀은 결정 레이저 파장이 얼마나 바뀌는지 체계적으로 측정했다. 제작한 유연한 광결정 레이저는 -10%에서 12%까지 변형되는 동안 약 26㎚(나노미터)의 레이저 파장 변화를 보여줬다.
레이저 파장의 선폭이 약 0.6㎚ 이하임을 고려하면 매우 큰 폭의 파장 변화이다. 센서의 눈금에 해당하는 선폭은 매우 좁고 동작 범위는 넓기 때문에 높은 감도의 압력 센서로 동작할 수 있다.

산도(pH)를 측정하는 화학 센서
연구팀은 압력센서를 이용해 액체의 산도(pH)를 측정할 수 있는 방법도 개발했다. 압력센서에 액체의 산도에 따라 부피가 바뀌는 하이드로겔(젤리 같은 고분자 물질)을 붙였다. 액체가 흐르면 pH 감응성 하이드로겔의 부피가 변하여 압력 센서에 압력을 가하는데, 이때 변하는 레이저 파장의 변화를 측정하는 원리다.
연구진은 실험을 통해 건조 상태, 약산(pH 2.5, 아세트산), 중성(pH 7)의 3가지 상태에 대해 산성도를 성공적으로 측정, 산성도가 바뀜에 따라 레이저 파장의 변화가 안정적이고 가역적으로 변함을 확인했다.
박홍규 교수는 “이번 연구는 다리 같은 큰 건축물의 구조 변화부터 생체 내부의 화학 반응을 감지할 수 있는 초소형 바이오 센서까지 널리 응용될 수 있으며, 세포의 화학적 성분이나 모양 변화를 민감하게 검출 할 수도 있어 향후 몸 속 암세포의 유무 등을 정확하게 확인할 수 있을 것이다.”라고 설명했다.

연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 5월 12일자(논문명:A high-resolution strain-gauge nanolaser)에 실렸다.

자료제공 | 고려대학교(http://rms.korea.ac.kr)