나노 다공성 막 내부에서 전해질 내 이온이 극성에 따라 선택적으로 통과됨을 플라즈마 발광 특성을 이용하여 이온들의 이동을 영상으로 기록하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.

서울대학교 전기·정보공학부 김성재 교수팀, 한림대학교 미래융합스쿨 융합신소재공학전공 성건용 교수팀과 포스텍 물리학과 윤건수 교수팀의 공동 연구진은 이온-플라즈마 에너지 전이 과정에서 방출되는 가시광을 나노 다공성 막 내부로 통과시켜 각 이온별 특이 가시광을 분석하여 나노 구조물 내에서는 Na+와 Li+와 같은 양이온만이 선택적으로 통과됨을 직접 가시화에 성공했다고 2일 밝혔다.

이 연구는 공동 연구진이 5년 전에 우연히 발견한 미세 유체 채널에서의 흥미로운 현상을 체계적으로 분석한 끝에 얻은 결과로 플라즈마 발광 특성과 나노전기수력학 분야를 접목시켜서 나노 다공성 막 내부에서의 이온 수송 현상을 고유의 발광 색깔에 따라서 관찰할 수 있음을 세계 최초로 증명한 기술이다.

나노 다공성 막은 채널 벽면 사이 거리가 수에서 수십 나노미터 이하 크기로 매우 작기 때문에 벽면 전하의 극성과 반대되는 이온만을 투과시킨다. 즉 유리, 실리콘 등으로 제작된 나노 구조물은 재료 표면이 음전하를 띠고 있어 양이온만이 통과할 수 있게 된다. 이와 같은 선택적 이온 투과 특성(Perm-selectivity)은 나노전기수력학(Nano-electrokinetics) 분야의 핵심 기작으로써 해수담수화, 이온농축기 등 다양한 연구의 출발점이 되어 왔다. 하지만 나노 다공성 막 내부에서의 이온 수송에 대한 직접적인 관찰이 어렵기 때문에 전압-전류 측정 또는 형광 이미징 등의 간접적인 실험 증거를 이용한 연구만이 진행되어 왔다.

이 결과를 응용하면, 능동형 나노 발광 소자, 나노 이미징 장치, 이온 분석 장치 등 다양한 산출물을 얻을 수 있을 것으로 기대되며 간접적인 형광 이미징 방법만이 주를 이루고 있는 생명공학 분야에서도 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

이번 연구 결과는 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Report)’에 6월 1일자로 게재됐다. 이 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원 사업과 서울대-코스맥스 기술 육성 센터의 지원으로 수행됐다.

50 V 정도의 상대적으로 낮은 전압을 인계하여 먼저 미세 유체 채널 내에 기포를 생성하고(그림. step 1), 500 V의 높은 전압을 인계하여 기포로부터 촉발된 플라즈마를 형성시켜 이온 고유의 색깔을 띤 가시광이 방출됨을 관찰하였다(그림. step 2). 다음으로 나노 다공성 막 양단에 전압을 인계하면 미세 유체 채널 내에서 생성된 플라즈마 가시광이 나노 다공성 막 내부로 침투되면서 양이온에 해당하는 가시광만이 통과하는 현상을 초고속 카메라를 이용하여 촬영하였다(그림. step 3). 또한 이동도가 높은 리튬 이온이 이동도가 낮은 나트륨 이온보다 항상 앞단에서 수송되며 발광하는 현상을 관찰하였다(그림 참고).

서울대 김성재 교수는 “우연히 발견된 현상을 끈질기게 분석하여 나노전기수력학 분야의 핵심 기작을 관찰할 수 있는 새로운 가시화 방법을 도출하였다”며 “현재 공동 연구팀은 이 기술을 활용해 이온을 정량화할 수 있는 랩온어칩 플랫폼을 개발 중”이라고 말했다.