바이러스ㆍ박테리아 검출, 미세공간 연구 등 광범위한 분야 활용 가능…
질량ㆍ응력 측정 딜레마 해결
‘어드밴스드 머터리얼스’ 최신호 게재….
한국 특허 취득 이어 미국ㆍ일본 특허 출원도

바이러스나 박테리아, 물 속의 중금속과 같은 위해물질을 간단하게 검출하거나 미세 공간(confined geometry) 속 물리 현상 연구 등 다양한 분야에 활용되는 캔틸레버(Cantilever) 센서의 딜레마를 해결한 새로운 개념의 센서가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

POSTECH 이건홍ㆍ전상민(화학공학), 박현철ㆍ황운봉(기계공학) 교수 공동연구팀은 양극산화 알루미늄(Anodized Aluminum Oxide, AAO)을 이용해 질량변화와 응력(應力․Stress)의 변화를 동시에 측정할 수 있는 캔틸레버센서를 개발했다.

신소재분야의 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’지 최신호를 통해 발표된 이 기술은 기존의 캔틸레버 센서가 질량과 응력의 변화를 측정할 때마다 그 길이와 두께를 상반되게 조절해야 하는 문제점을 해결해 주목을 받았다.

나노미터(nm)에서 마이크로미터(μm)에 이르는 초소형 크기인 캔틸레버 센서는, 민감도가 높고 유연하게 휘어지는 성질을 가지고 있어 극도로 미세한 힘이나 변형과 질량을 측정할 수 있는 도구로 각광을 받고 있다.

그러나 기존의 캔틸레버는 질량 변화를 측정하기 위해서는 짧고 굵은 센서를, 응력의 변화를 측정하기 위해서는 반대로 길고 얇은 센서를 사용해야 해 질량과 응력의 변화를 동시에 정밀하게 측정하기는 어려웠다.

POSTECH 연구팀은 이 같은 문제점을 해결하기 위해 ‘규칙적으로 배열된 미세 나노기공이 있는 양극산화 알루미늄’을 소재로 활용했다. 양극산화 알루미늄의 나노기공은 크기를 조절할 수 있고 수직방향으로 정렬되어 있어 캔틸레버의 영률(Young’s modulus)을 임의로 조절할 수 있다.

연구팀이 사용한 소재의 나노기공은 센서의 표면적을 100배 이상 증가시켜 질량에 대한 민감도를 크게 향상시키는 한편, 센서의 기계적 응력을 크게 줄여 응력에 대한 민감도도 향상시켰다.

또 표면적을 증가시키기 위해 캔틸레버 재질이 아닌 나노선이나 나노막대를 성장시킨 기존의 이종 나노구조 캔틸레버 센서와는 달리, 단일재질을 사용한 이 ‘AAO 캔틸레버 센서’는 기계적인 수치 해석도 가능해 다양한 용도로 활용할 수 있는 맞춤형 센서로 개발할 수 있는 가능성을 열었다.

POSTECH 연구팀이 개발한 이 캔틸레버 센서는 △생분자간 상호 간섭력을 측정할 수 있으면서도 휴대가 가능한 소형 질병 분석기 △배양실험이 없이도 박테리아나 독성물질을 검출할 수 있는 센서 △민물에 있는 중금속이나 유독성 단백질의 검출실험 △플라스틱 폭탄이나 생화학 무기를 감지하는 기체 센서, △미세공간 속에서의 물리 현상 연구 등 생명공학과 물리, 환경공학을 아우르는 광범위한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

화학공학과 이건홍 교수는 “이 기술은 양극산화 알루미늄과 MEMS(극미세 전자기계 시스템ㆍMicro Electro Mechanical Systems) 기술을 결합해 실제 활용 가능한 장치를 제작한 드문 예”라며 “한국 특허를 취득한데 이어 미국과 일본에도 특허를 출원 중”이라고 밝혔다.