이온성 액체 활용한 고효율 마이크로 광도파관 성장

국제 학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼스’ 게재·커버 이미지

▲(왼쪽부터) 김도완 박사, 송진우 석사과정생, 이규상 교수, 장재원 교수, 박동혁 교수

박동혁 화학공학과 교수가 국제 공동연구팀과 원거리에서 작동 가능한 고효율 광센서를 초고속으로 성장시키는 기법을 개발했다.

박동혁 교수는 미국 버지니아대학 이규상 교수, 김도완 박사, 동국대학교 시스템반도체과학부 장재원 교수와 함께 국제 공동연구팀을 꾸려 이온성 액체를 활용해 유기반도체 기반 마이크로 광도파(optical waveguide)관을 초고속으로 성장하는 기법을 최초로 개발했다. 해당 연구에는 인하대 송진우 석사과정, 김지연 박사과정 학생이 공동저자로 함께 참여했다.

광도파 현상은 유기물로 이뤄진 결정이 균일하게 정렬된 형태로 성장하면 결정에 따라 빛이 퍼져나가는 것을 말한다.

유기반도체는 주로 탄소로 이뤄진 유기물로 구성돼 있고, 다양한 원소를 치환해 전기적, 광학적 특성을 조절할 수 있다. 유연성과 가벼움 그리고 낮은 원가로 디스플레이, 태양전지 등 많은 분야에서 무기물 반도체를 대체할 수 있는 소재로 주목받고 있다.

연구팀은 이온성 액체가 유기반도체를 육각기둥 형태로 성장시키는 동시에 중심부의 취약한 부분을 풍화시켜 속이 빈 마이크로튜브를 형성한다는 사실을 발견했다. 속이 빈 튜브 형태는 속이 꽉 찬 막대 형태보다 광도파 특성이 뛰어나, 광신호를 더욱 효율적으로 멀리 전송할 수 있다.

마이크로 광도파관을 활용하면 직접 에너지를 쬐지 않고도 신호를 검출할 수 있다. 시료에 직접 에너지를 가하지 않고도 신호를 검사해 알아낼 수 있는 것이다. 높은 에너지에 노출되면 구조가 파괴되거나 변형될 수 있는 DNA, 단백질, 세포 등 생체물질이나 민감한 화학물질을 검출하기에 적합할 것으로 기대된다.

연구팀은 광도파관의 한쪽 끝단에만 검출하고자 하는 물질을 놓고 반대편에서 빛을 쬐어 해당 물질을 높은 효율로 검출할 수 있다는 사실도 입증했다.

연구에 사용된 물질과 합성 방법은 인체나 환경에 유해한 물질을 거의 발생시키지 않는다. 그 결과 친환경적이고 쉽고 빠르게 광도파관을 제작할 수 있어 사회적·상업적으로 큰 의미가 있다는 게 연구팀의 설명이다.

연구팀이 이뤄낸 성과는 최근 광재료과학 분야 국제 저명 학술지인 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(Advanced Optical Materials)’에 게재됐고 8월달 잡지 표지로 선정됐다.

교신저자인 박동혁 화학공학과 교수는 “친환경적인 방식을 통해 생체·화학물질을 다루는 기술이 개발돼 의료, 환경 등 다양한 관련 분야의 발전이 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 이공기초연구사업 지원으로 진행됐다. 연구진은 앞으로 다양한 생화학 타깃 검출에 기술 적용을 확대해 나갈 계획이다.

▲(왼쪽) 커버이미지 (오른쪽) 유기반도체 원격 센서 성장 메커니즘 및 광도파 특성 모식도