한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 2021년 자체 개발한 소자를 이용해 마이크로파 영역에서 주파수 빗을 생성하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이는 분자 단위 정밀 질량측정을 위한 고성능 센서에 활용될 수 있다.

▲KRISS 양자하이브리드팀 서준호 책임연구원(사진 좌측), 차진웅 선임연구원(사진 우측) / 사진 출처 : KRISS

KRISS 양자하이브리드팀이 개발한 이번 기술은 초전도 나노전기역학 소자에 마이크로파 신호를 입력해 주파수 빗을 생성하는 기술이다. 주파수 빗은 여러 개의 주파수 신호가 머리빗처럼 일정하고 조밀한 간격으로 나타나는 현상을 가리킨다. 

연구팀이 생성한 주파수 빗살의 간격은 나노역학 소자의 고유 주파수와 일치하기 때문에 이 간격을 측정하면 소자의 미세한 진동 주파수의 변화를 정밀하게 추적할 수 있다.

▲초전도 나노전기역학 소자에서의 마이크로파 주파수 빗 생성 실험결과 / 사진 출처 : KRISS

연구팀은 소자의 초전도 성능을 발현시키기 위해 소자를 액체헬륨냉동기에 넣어 극저온 환경을 구축했다. 이후 마이크로파 신호 생성기로 소자에 단일 주파수 신호를 입력해 주파수 빗 현상을 관측하는 데 성공했다.

기존에 사용된 나노역학소자의 주파수 측정법은 소자에 레이저를 쏘아 반사된 빛의 변화를 기준이 되는 레이저 빛과 간섭시켜 그 신호를 분석하는 방식이다. 

이 간섭신호에서 나온 나노역학 소자의 주파수를 실시간으로 추적하기 위해서는 특정 주파수의 전기신호와 비교해야 한다. 이러한 방식은 복잡한 광학전자장비를 필요로 하기에 잡음 발생원이 많아져 측정성능이 떨어진다.

▲초전도 나노전기역학 소자 기반 마이크로파 주파수 빗 생성 개략도 / 사진 제공 : KRISS

이번 연구로 밝힌 주파수 빗 생성원리를 활용하면 기존 기술과 달리 복잡한 장비를 사용하지 않고도 단일 주파수의 마이크로파 신호를 입력해 나노역학소자의 진동 주파수를 측정할 수 있다.

이번 기술은 고성능 나노센서 등 정밀측정을 필요로 하는 다양한 응용분야에 활용 가능하다. 예를 들어 나노역학 소자에 단백질 분자와 같은 초미세 물질이 흡착되면 소자의 질량이 달라져 고유 주파수에 변화가 생기는데, 주파수 빗의 신호를 분석해 이 변화를 포착하면 흡착된 물질의 질량을 측정할 수 있다.

KRISS 양자하이브리드팀 차진웅 선임연구원은 “주파수 빗 생성기법을 이용한 이번 측정법을 활용하면 기존 나노역학센서보다 수십 배 이상 향상된 정밀도를 얻을 수 있을 것”이라고 전망했다.

함께 연구를 수행한 서준호 책임연구원은 “이번 실험은 소자의 성능을 극대화하기 위해 극저온에서 진행했지만, 향후에는 상온에서도 기술을 구현시켜 다양한 산업분야에서 주파수 빗을 정밀측정에 응용할 수 있게 할 예정”이라고 밝혔다.

KRISS 기본사업과 국가과학기술연구회, 한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 학술지인 나노 레터스(Nano Letters, IF:12.262)에 6월 게재됐다.