연세대- 스위스 EPFL 국제공동연구, Nature Photonics (2024년 기준 JCR IF: 32.9) 2025년 9월호 Front cover 선정
(왼쪽부터) 여종석 교수, 이지혜 박사, 문승환 대학원생, Nature Photonics 저널 2025년 9월호 Cover 이미지.

연세대학교 여종석 교수 연구팀이 스위스 로잔연방공과대학교(École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL) Hatice Altug 교수 연구팀과의 국제공동연구를 통해, 기존 광학 바이오센서의 근본적 한계를 극복한 자체 발광 바이오센서를 개발하였다. 본 연구 결과는 Nature Photonics (2024년 기준 IF: 32.9, Optics 분야 1위, 상위 0.4%)에 표지논문으로 선정되었다.

광학 바이오센서는 빛을 이용해 생체분자를 민감하게 감지하는 기술로서, 의료 진단·환경 모니터링 등 다양한 분야에서 필수적이다. 그러나 기존의 광학 바이오센서들은 레이저나 LED와 같은 외부 광원과 함께 정밀 정렬이 요구되는 부피가 크고 복잡한 광학 셋업에 의존해 왔으며, 이로 인해 시스템의 집적도와 휴대성이 제한되어 실제 현장(point-of-care) 적용에 어려움이 있었다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 비탄성 양자 전자 터널링(Inelastic quantum electron tunneling) 현상을 활용한 자체 발광(Self-illuminating) 센서 플랫폼을 제안하였다. 매우 얇은(3-5nm) 절연층을 전자가 통과할 때 일부 전자의 에너지가 플라즈몬이나 광자로 전환되는 비탄성 전자 터널링 현상을 이용하면, 외부 광원 없이도 전기 신호만으로 칩 내부에서 빛을 생성, 감지할 수 있다.

이 센서 구조는 산화알루미늄(Al₂O₃) 절연층과 나노스케일 금 나노메시 메타표면을 기반으로 하며, 전자가 절연층을 터널링하는 과정에서 플라즈몬 공명과 결합해 광자를 방출하도록 정밀하게 설계되었다. 방출되는 빛의 세기와 스펙트럼은 메타표면 상에 형성된 고분자막이나 단백질층의 굴절률 변화에 매우 민감하게 반응하여, 분자 농도의 미세한 변화가 실시간·라벨-프리(label-free) 방식으로 발광 신호에 직접 반영된다.

금 나노메시 배열로 구성된 메타구조는 비탄성 전자 터널링 과정에서 발생하는 광자 방출을 효과적으로 증폭하고 나노미터 영역으로 집속함으로써 생체분자 검출의 감도와 선택성을 동시에 향상시킨다. 특히 단일 이벤트당 광자 발생률이 낮은 비탄성 터널링 특성을 고려해, 이러한 나노구조를 넓은 면적에 집적함으로써 충분한 광자 신호를 확보할 수 있으며, 이는 기존 큰 부피의 광학 장비에 비해 극도로 소형화된 완전 통합형 센서 구현을 가능하게 한다.

실험적으로 본 센서는 아미노산 및 고분자와 같은 바이오 분자를 피코그램(pg, 1조분의 1그램) 수준의 초미량까지 라벨 없이 검출할 수 있음을 입증하였으며, 이는 현재 가장 진보된 광학 센서들과 견줄 수 있는 초고감도 성능이다. 더 나아가 빛의 생성과 감지가 동일 칩 내에서 이루어지는 구조를 통해, 기존 광학 시스템보다 훨씬 작고 가벼운 소형 진단 장치 또는 휴대형 디바이스로의 응용 가능성을 제시한다. 제조 측면에서도 본 플랫폼은 비교적 단순한 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 구조와 이미 잘 확립된 재료 시스템을 기반으로 하여, 대면적 확장성과 공정 호환성이 뛰어난 제조 용이성을 확보하였다.

본 연구는 한국연구재단의 2019년 한-스위스 이노베이션 프로그램과 Swiss National Science Foundation (SNSF)의 지원으로 수행하였으며, 연구가 진행되는 과정에서 실험적 검증과 이론적 분석의 완성도를 높이기 위해 스위스 ETH Zurich, 스페인 ICFO 등 여러 국제 연구기관이 참여하는 공동연구로 점차 확장되었다.

연구 초기 단계부터 본 과제에 참여해 온 이지혜 박사는 우리 대학의 여종석 교수 연구팀에서 박사학위를 취득한 이후 국제공동연구를 진행하는 EPFL의 Hatice Altug 교수 연구팀에서 박사후연구원으로 연구를 주도하며 본 논문의 제1저자로 기여했다. 또한 여종석 교수 연구팀에서 BK21 지능형반도체 IT융합전공 참여대학원생으로 양자 반도체소자 연구를 주도적으로 수행하는 문승환 대학원생은 2022년 Hatice Altug 교수 연구팀에 방문 연구원(Visiting Ph.D. Student)으로 연구에 참여하였다.

여종석 교수 연구팀은 이전에도 양자 플라즈모닉 시스템에서의 에너지 수송에 관한 논문을 Advanced Materials (제1저자 이지혜 박사, 게재년도 2021년 기준 JCR IF: 32.086, 상위 2.12%)에 게재한 바 있으며, 양자 터널링과 양자 광소자 분야를 중심으로 관련 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 현재도 나노포토닉 메타표면을 기반으로 한 양자소자 개발을 목표로, 기초 물성 연구부터 소자 구현에 이르는 다양한 연구를 진행하고 있다.