Ajou News
NEW 김장환 교수팀, 해양 생물 구조에서 착안한 정밀 측정 나노분석법 개발
- 2026-08-03
- 236
아주대학교 김장환 교수 공동 연구팀이 해양 생물인 뇌산호의 구조에서 착안해 위치나 조건에 관계 없이 정밀하게 측정 가능한 나노 분석법을 개발했다. 이에 현장에서의 정밀 분자 분석과 AI 기반 질병 진단 등에 활용될 수 있을 전망이다.
첨단신소재공학과 김장환 교수 연구팀은 블록공중합체 나노패턴 내 '제어된 무질서(controlled disorder)'를 구현함으로써, 측정 방향과 빛의 편광에 관계 없이 균일한 신호를 제공하는 고재현성 표면증강 라만분광(SERS) 플랫폼을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구 결과는 ‘블록 공중합체 나노 무질서도 극대화를 통한 차세대 비침습 진단용 비편광 SERS 플랫폼 개발(Maximizing Nanoscale Disorder in Block Copolymers for Orientation-Independent SERS Platform Toward Non-Invasive Diagnostics)’이라는 제목으로 국제 저명 학술지 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science) 7월14일 자에 게재됐다.
아주대 김원식 연구원(위 사진 왼쪽)과 충남대 김진만 연구원·경희대 김완선 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 아주대 김장환 교수(첨단신소재공학과, 위 사진 오른쪽)와 충남대 진형민 교수(유기재료공학과)·경희대 최삼진 교수(의과대학)·가톨릭대 김연희 교수(의과대학)는 교신저자로 함께 했다.
‘표면증강 라만분광법(SERS)’은 금속 나노구조에서 빛과 물질의 상호작용을 증폭시켜 극미량의 분자 신호를 검출하는 고감도 분석 기술이다. 이에 바이오 및 의학, 환경과 식품 안전, 국방 및 과학수사 등의 분야에 활용되고 있다. 이 분석법은 높은 감도를 갖는다는 장점이 있지만, 기존 방식의 기판은 나노구조의 배열 방향에 따라 빛의 편광과 입사 방향에 민감하게 반응하는 경우가 많아 측정 위치와 조건에 따른 신호 편차가 발생하는 점이 한계로 지적되어 왔다. 때문에 이러한 문제는 ‘표면증강 라만분광법(SERS)’을 실제 정량 분석과 진단 응용에 활용하기 위해 해결해야 할 핵심적 과제로 남아 있었다.
이를 해결하기 위해 공동 연구팀은 자연계의 뇌산호(Brain coral)가 가진 사람의 뇌와 닮은 구불구불한 무늬의 구조에서 착안, 무작위 방향성(controlled disorder)을 가진 나노패턴을 구현했다. 이러한 구조는 외부 분자가 접근할 수 있는 계면의 길이를 증가시켜 플라즈모닉 활성 부위인 나노갭의 밀도를 높이고, 다양한 방향에서 균일한 광학 특성을 구현할 수 있다.
이를 바탕으로 연구팀은 10nm(나노미터, 1nm는 1m의 십억분의 일에 해당) 미만의 균일한 금 나노갭 어레이를 제작했으며, 기존의 장거리 정렬 구조보다 약 1.5배 높은 SERS 신호와 편광·입사 방향에 영향을 거의 받지 않는 안정적인 특성을 구현해 냈다. 또한 대면적 웨이퍼에서도 높은 신호 균일성과 재현성을 확보해 실용적인 SERS 플랫폼으로서의 공정 확장 가능성을 확인했다.
(나) 뇌산호에서 착안한 무작위 방향성 나노패턴 및 SERS 기판 제작 개념도 (다) 고엔트로피(HE)·저엔트로피(LE) 구조에 따른 SERS 방향 의존성 비교 (라) 엔트로피에 따른 각도별 SERS 신호 세기 비교 (마) 고엔트로피(HE)·저엔트로피(LE) 구조의 편광현미경 이미지 및 라만 신호 세기 매핑 비교 (바) 엔트로피에 따른SERS 신호 세기 분포도를 통한 재현성 비교
연구팀은 개발한 플랫폼을 실제 비침습 진단에도 적용했다. 이번에 개발한 플랫폼으로 정상 임산부와 자간전증(임신중독증) 임산부의 소변 시료를 분석한 결과, 기존 기판보다 우수한 인공지능(AI) 기반 분류 성능을 보였다. 이를 통해 연구팀은 자간전증의 비침습 조기 선별을 비롯한 AI 기반 질병 진단과 정량 분자 분석 등에 활용될 수 있음을 확인했다.
이번 연구는 초미세 나노 구조의 촘촘하고 정밀한 규칙성은 그대로 살리면서도, 빛이 들어오는 방향에 따라 측정값이 달라지는 기존의 한계(광학적 이방성)만을 선택적으로 극복한 새로운 설계 방식을 제시했다는 데 의의가 있다. 특히 극미량의 신호도 정확히 잡아내고(고감도), 언제 측정해도 동일한 결과를 나타내며(높은 재현성), 빛의 방향에도 구애받지 않고 측정이 가능(안정성)하며, 웨이퍼 단위의 대량 생산이 가능한 대면적 공정성을 동시에 확보했다. 이에 앞으로 현장에서 즉시 질병을 선별하고 정밀하게 분석할 수 있는 차세대 진단 기기 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.
아주대 김장환 교수는 "이번 연구는 나노구조의 무질서를 단순한 결함이 아닌 광학적 균일성과 측정 신뢰도를 높이는 기능적 설계 요소로 활용한 사례"라며 "대면적 나노패터닝 기술과 인공지능 분석을 결합해 앞으로 질병 조기 선별을 비롯한 다양한 비침습 분자 진단 분야로 확장할 수 있을 것"이라고 설명했다.