[로이슈 전여송 기자] 이화여자대학교는 본교 물리학과 이상욱 교수 연구팀이 기존 센서의 동작 방식을 재해석해 단일 미세 입자와 단백질 결합까지 감지할 수 있는 초고감도 질량 변화 측정 기반 센싱 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

이번 연구는 비선형 공진 현상을 활용해 센서 감도를 높이는 내용을 골자로 한다. 연구 결과는 국제학술지 ‘마이크로시스템즈&나노엔지니어링(Microsystems & Nanoengineering)’에 게재됐다.

연구팀은 산업용 석영 공진 센서(QCM·Quartz Crystal Microbalance)의 측정 방식을 기존 주파수 변화 중심에서 공진기의 진폭 급락 현상을 활용하는 방식으로 전환했다.

기존 QCM 센서는 질량 변화에 따른 공진 주파수 변화를 측정하는 방식으로 작동했지만, 극미량 질량에서는 신호 구분이 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 센서를 비선형 공진 영역에서 동작시키고, 미세한 질량 변화가 공진기의 급격한 진폭 감소로 나타나는 현상을 신호로 활용하는 측정 방식을 제안했다. 이를 통해 약 100펨토그램(10⁻¹³그램) 수준의 질량 변화를 측정하고 단일 마이크로·나노 입자와 단일 단백질 분자를 검출하는 데 성공했다.

또 기존 환경에서는 1킬로헤르츠(kHz) 이상의 주파수 변화만 측정 가능했지만, 비선형 공진을 활용하면 약 1헤르츠(Hz) 수준의 변화도 안정적으로 관찰할 수 있다는 점을 확인했다.

이번 기술은 기존 상용 QCM 장치를 그대로 활용하면서 구동 조건만 변경해 감도를 높였다는 점에서 의미가 있다고 연구팀은 설명했다. 기존 초고감도 센서 기술이 나노구조 제작이나 특수 소재 도입 등 복잡한 공정을 필요로 했던 것과 달리, 재현성과 실용성을 확보할 수 있는 접근이라는 설명이다.

연구팀은 이번 기술이 초미세먼지 검출, 단백질 상호작용 분석, 유해 물질 감지, 실시간 생체분자 분석 시스템 등에 활용될 수 있을 것으로 보고 있다. 또 주파수 스캔 과정을 줄여 특정 조건에서 즉시 반응을 읽는 이벤트 기반 센싱에도 적용 가능하다고 설명했다.

이상욱 교수는 “이번 연구는 센서 구조를 바꾸는 대신 물리적 동작 원리를 재해석해 성능을 향상시킨 사례”라며 “기존 센서를 활용한 새로운 측정 방식을 제시했다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 국가연구소(NRL2.0) 사업과 한국연구재단 중점연구소 지원사업, 대학ICT연구센터(ITRC) 지원사업, 국방기술진흥연구소 연구과제 등의 지원을 받아 수행됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr