이상욱 교수팀, 10조분의 1그램 질량 검출 초고감도 센싱 기술 개발
이상욱 교수
물리학과
복잡한 센서 제작 대신 기존 센서 사용 방식을 재해석한 센싱 기술 개발
최상위 국제학술지 <Microsystems & Nanoengineering> 게재
물리학과 이상욱 교수팀이 기존 센서 방식을 재해석하여 단일 미세 입자 및 단백질 결합까지 감지할 수 있는 초고감도 질량 변화 측정 기반 센싱 기술을 개발했다.
이번 연구는 측정 및 제어 연구 분야 최상위 국제학술지인 <Microsystems & Nanoengineering>(IF=9.9, 분야 상위 0.6%)에 최근 게재되면서 우수성을 인정받았다.
연구팀은 기존에는 회피 대상이었던 비선형 공진(non-linear resonance) 현상을 적극적으로 활용해 센서 성능을 대폭 향상시켰다. 산업용 센서인 석영 공진 센서(QCM, Quartz Crystal Microbalance)의 동작 방식을 주파수 변화를 측정하던 기존 방식에서 공진기의 진폭 급락을 신호로 활용하는 방식으로 패러다임을 전환한 것이다.
기존 QCM 센서는 미세한 질량 변화에 따른 공진 주파수 변화를 측정하는 방식으로 작동했다. 용수철 진자에 매달린 추가 무거워지면 진자의 진동 주기가 길어지는 간단한 물리 현상을 활용한 원리다. 그러나 이 방법은 감도가 제한적이고 특히 극미량 질량에서는 신호 구분이 어렵다는 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 센서를 비선형 공진 영역에서 동작시키고, 특정 조건에서 극미량의 질량 변화로 인해 나타나는 주파수 변화가 공진기의 급격한 진폭 감소(amplitude drop)로 나타나는 현상을 신호로 활용하는 새로운 측정 방법을 제안했다. 이 방법을 통해 연구팀은 약 100 펨토그램(10조분의 1그램) 수준의 질량 변화를 측정하고 이를 이용하여 단일 마이크로/나노 입자 및 단일 단백질 분자를 검출하는 데 성공했다(1펨토그램(1 fg) = 1000조분의 1그램).
특히 기존에는 1kHz 이상의 주파수 변화를 측정할 수 있었던 환경에서 비선형 공진을 활용하면 약 1Hz 수준의 주파수 변화를 안정적으로 관찰하고 이를 통해 단일 입자 측정이 가능하다는 사실을 확인했다. 이 결과는 측정 시스템의 한계에 의해 제한된 값으로 실제 센서의 잠재 감도는 더 높을 것으로 기대된다.
비선형 공진 현상 활용 초고감도 센싱 기술 개념도
이번 연구는 기존 상용 QCM 장치를 그대로 사용하면서 구동 조건만 단순히 변경해 측정 감도를 획기적으로 향상했다는 점에서 의미가 크다. 기존 초고감도 센서 기술이 나노구조 제작, 표면 기능화, 특수 소재 도입 등 대체로 복잡한 공정이 필요했던 점과 비교하면, 센서의 재현성·안전성·실용성까지 동시에 확보하는 접근이다.
이번 연구 결과는 초미세먼지 검출, 단백질 상호작용 분석, 초고감도 유해 물질 감지, 실시간 생체분자 분석 시스템 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다. 특히 주파수를 스캔하는 단계가 생략되어 특정 조건에서 바로 반응을 읽는 이벤트 기반 센싱(event-based sensing)이 가능하다. 이 때문에 연구팀은 앞으로 고속·실시간 분석 시스템까지 확장할 수 있을 것으로 내다봤다.
이상욱 교수는 “이번 연구는 센서 구조를 바꾸는 대신 물리적 동작 원리 자체를 재해석함으로써 성능을 향상시킨 사례로, 더 복잡한 센서를 만드는 것이 아니라 기존 센서를 더 똑똑하게 사용하는 방법을 제시했다”고 연구 의의를 설명했다.
이번 연구는 △과학기술정보통신부 집단연구지원(국가연구소(NRL2.0)) 사업 △한국연구재단 중점연구소 지원사업 △대학ICT연구센터(ITRC) 지원사업 △국방기술진흥연구소 '국방 양자 컴퓨팅 & 센싱 기술 연구' 과제 지원사업(2023-2029) 등의 지원을 받아 수행한 성과다. 연구 논문은 「Precise detection of single particles and bio-sensing applications on quartz crystal microbalance using non-linear resonance behavior」 이라는 제목으로 <Microsystems & Nanoengineering>지에 발표되었으며, 제1저자 김재현 박사(前 본교 박사후 연구원, 현 프랑스 국립과학연구센터 연구원)와 함께, 제유경 박사(前 본교 석박통합과정, 현 네덜란드 델프트공대 박사후연구원), 본교 물리학과 김승현 연구교수, 고려대 전자및정보공학과 신동훈 교수가 참여했다.