한국과 미국 공동연구진이 생체 내부의 미세한 전류와 빛을 민감하게 감지할 수 있는 나노선¹⁾ 센서를 개발했다.

1) 나노선: 실리콘과 같은 반도체 물질의 지름이 수십 ~ 수백 나노미터(10억 분의 1 m) 정도이고, 길이가 수 마이크로미터 혹은 그 이상인 나노 구조체

한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 박홍규 교수(고려대) 연구팀(공동연구 하버드대 찰스 리버 교수)이 전기와 광 신호를 민감하게 감지해 측정할 수 있는 1차원 반도체 나노선 극미세 센서를 성공적으로 구현했다고 밝혔다.

본 연구결과는 미국화학회에서 발행하는 국제적으로 권위 있는 과학 학술지 ‘나노 레터즈(Nano Letters)’에 6월 27일자로 게재됐다.

1차원 반도체 나노선은 크기가 매우 작고 전기 및 광 특성이 우수해 수백 나노미터 크기의 트랜지스터 및 LED, 태양전지 등의 제작에 다양하게 활용되고 있다.

특히 반도체 나노선은 뾰족한 끝단을 통해 세포 내 침투가 용이하므로 바이오 센서로서 활용성이 높다. 반도체 나노선을 이용한 생화학 나노선 센서는 생체 내 특정 영역에서 일어나는 생화학 작용에 따른 전기적, 광학적 변화를 효과적으로 감지할 수 있다. 그러나 높은 민감도를 보유한 채 단일 세포 내의 특정 영역만을 선택적으로 접근해 신호를 감지하는 극미세 나노선 센서의 구현은 여전히 어려웠다.

이에 박홍규 교수팀은 실리콘 나노선의 한 쪽 끝단에만 반도체 p-n 접합²⁾을 형성해 나노선의 p-n 접합을 통해서만 특정 영역에서 전기 혹은 광 신호를 검출하는 새로운 형태의 나노선 센서를 개발했다.

2) 반도체 p-n 접합: 반도체에 불순물을 도입하면 전자와 양공의 상대적 농도 차이에 따라 양극(p형) 및 음극(n형) 반도체를 만들 수 있는데, 이들 두 반도체가 만나는 영역 혹은 경계

나노선 센서가 주변의 변화에 민감하게 반응하는 화학센서임을 전해용액을 이용한 게이트 실험을 통해 밝혔다. 센서 민감도의 90%를 차지하는 나노선 끝 부분에 형성된 p-n 접합은 생체 내 특정 영역에서 전기신호를 측정하는데 매우 유용하다. 

또한 나노선 센서가 빛에 민감하게 반응하는 광센서임을 레이저를 이용한 광학 실험을 통해 밝혔다. 나노선 센서의 광 반응도는 약 0.22 A/W³⁾로, 기존에 보고된 단일 나노선 센서(광 반응도 약 0.001 A/W)들에 비해 100배 이상 우수하다.

3) A/W: 입사되는 빛의 전력이 1와트(W)일 때 몇 암페어(A)의 전류가 생성되는지에 대한 비율을 나타내는 단위

또한 연구진은 수직형 나노선 배열 구조를 화학 합성법과 반도체 공정법을 결합해 75% 이상의 수율⁴⁾로 성공적으로 제작했다.

해당 구조는 나노선 센서를 구성하는 각각의 소자들이 개별적으로 동작할 수 있으므로 단일 세포의 특정영역에 대한 신호 측정에 매우 효과적이다. 또한 생체 내 광범위한 부위에서 발생하는 복합 신호를 검출하는 경우에도 매우 유용하다.

4) 수율: 투입 수에 대한 완성된 양품의 비율. 불량률의 반대어

박홍규 교수는 “생체 내부 특정 영역에서 일어나는 화학 반응 및 광학 현상을 민감하게 감지할 수 있는 극미세 나노선 센서는 향후 세포 내 생화학 반응의 생체 지도를 연구하거나 인공망막을 구현할 때 유용하게 쓰일 수 있을 것이다”며 연구의 의의를 밝혔다.