민감도·측정범위 넒어진 나노레이저 압력센서 개발

국내 연구팀이 유연한 나노레이저에 미세한 압력을 가하면 레이저의 색깔이 변하는 특성을 이용해 민감도가 뛰어난 신규 압력 센서를 개발했다고 밝혔다.
플렉서블 기판에서 작동하는 다양한 전자소자는 작은 변화에도 민감하게 반응해 구조적 결함이나 외부 환경의 변화를 정밀하게 측정할 수 있다. 문제는 플렉서블 전자소자의 민감도와 측정 가능한 압력의 크기는 반비례한다는 점이다. 민감도가 높으면 작은 압력변화를 측정할수 있고 높은 압력변화를 측정하러면 민감도가 낮아졌다.
레이저는 하나의 파장(색깔)만이 있기 때문에 레이저 파장 변화를 이용하면 가장 민감한 센서를 만들 수 있다. 나노 구조를 이용해 만든 나노레이저의 경우 크기가 빛의 파장 정도인 수백 나노미터 정도로 매우 작고 작은 외부 압력에도 특성 변화가 크게 나타난다는 장점이 있다.
고려대학교 물리학과 박홍규 교수 연구팀은 나노 레이저에 주목해 새로운 압력 센서 개발을 시작했다.

연구팀은 못과 같은 모양이 반복적으로 배열된 광결정 구조를 플렉서블 기찬에 넣어 유연한 광결정 나노레이저를 만들었다. 레이저 구조를 잡아당기거나 압축하는 등 외부 압력을 가하면 레이저 파장이 변하는 새로운 형태의 나노레이저다.
광결정 레이저는 광결정 구조의 격자 주기에 의해 레이저 파장이 결정된다. 외부 압력에 따라 광결정 구조의 격자 주기가 변하고 이는 레이저 파장 변화로 이어진다. 레이저는 선폭이 매우 좁아 파장 변화를 민감하게 감지할 수 있어 센서로서의 활용도가 높다.
연구팀은 이 압력 센서를 이용해 액체의 산도를 측정할 수 있는 새로운 방법도 개발했다. 액체의 산도에 반응해 부피가 바뀌는 하이드로겔을 압력 센서에 부착해 광학적으로 산도를 감지할 수 있는 화학 센서를 구현한 것이다. 건조상태, 약산, 중성의 3가지 상태에 대해 산성도를 측정하는데 성공했다. 연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈에 지난 12일자로 게재됐다.
박 교수는 이번 연구는 다리와 같은 큰 건축물의 구조 변화에서부터 생체 내부의 화학 반응을 감지할 수 있는 초소형 바이오 센서까지 널리 응용될 수 있다”며 세포의 화학적 성분이나 모양 변화를 민감하게 검출할 수도 있어 향후 몸 속 암세포의 유무 등을 정확하게 확인할 수 있을 것이다”라고 연구의의를 설명했다.
[이영욱 기자]