연세대학교 전기전자공학부 김동현 교수가 “2025 스마트 사이언스 코리아 with KOREA LAB Autumn” 전시기간 중 발표한 ‘플라스모닉스를 이용한 나노 스케일 광측정 및 공정 기술’의 특별강연 내용은 다음과 같다.
[사진 1]. 2025 스마트 사이언스 코리아 with KOREA LAB Autumn 특별강연 현장
1. 연구 개요 및 배경
본 발표는 플라스모닉스(Plasmonics)기반의 나노광학 현상과 그 응용 기술을 중심으로, 나노미터 수준의 빛의 제어·측정·가공에 관한 최신 연구 동향을 다루었다.
플라스모닉스는 금·은과 같은 금속 표면에서 자유전자의 집단 진동(표면 플라스몬)을 이용해, 빛의 파장보다 작은 영역에서 전자기장을 극도로 집중시키는 기술이다.
이 현상은 전통적 광학 기술이 갖는 회절한계(Diffraction Limit)를 뛰어넘는 초고해상도 이미징, 정밀 센싱, 나노 가공 등을 가능하게 한다.
2. 플라스모닉스와 메타물질의 개념 비교
플라스모닉스 기술은 금속 기반 근접장(Near-field) 현상 중심으로 빛의 국소화(Localization)가 탁월하여 미세한 광 분포를 원하는 대로 구현할 수 있는 장점이 있으나 금속 손실로 인한 열 발생 및 소재의 한계가 존재한다. 이에 대하여 메타물질(Metamaterials)은 금속 및 유전체를 주기적으로 배열해 인공적으로 광학 상수를 조절할 수 있다.
주로 원거리(Far-field) 파동 제어에 유리하며, 금속 기반 플라스모닉스 구조보다 설계 자유도가 대체로 높아 메타렌즈(Metalens) 등 초박형 광학소자에 응용 가능하다.
두 기술은 상호 보완적이며, 메타-플라스모닉스(Meta-plasmonics) 기술로 통합될 경우 초소형·고성능 광소자 개발이 가능하다.
3. 주요 기술 및 실험 결과
(1) 표면 플라스몬 공명 (SPR) 센서
얇은 금속막 위에서 표면 플라스몬이 외부 매질의 굴절률 변화에 따라 공명각이 변하는 현상을 이용하여 바이오센서로 응용 시, 단일 분자 결합(항원-항체 등)을 비표지(Label-free) 방식으로 감지가 가능하다.
감도 향상을 위해 위상 검출, 산란 기반 검출, 다양한 방법과의 결합(Magneto-optic, Microcavity 등)이 모색되었다.
(2) 플라스모닉 증강 현미경 (PEM)
전반사 조건 하에서 플라스몬을 여기시켜, 수십 나노미터 수준의 깊이 해상도를 달성하였다.
형광 신호 향상 및 소광(Quenching) 제어를 통한 초고감도 이미징이 가능하다. 세포 단위의 단일 입자 추적, 단백질 결합 관찰 등에 응용할 수 있다(참고문헌/참고자료(Reference) [1]).
(3) 플라스모닉 리소그래피 (Plasmon Lithography)
금속 박막에 결합된 플라스몬이 형성하는 극미세 근접장 패턴을 이용해 포토레지스트를 노광할 수 있으며 기존 광리소그래피의 회절한계(λ/2)를 넘어 λ/10~λ/20 수준, 즉 수십 나노미터 이하의 패턴 구현이 가능하다.
고가의 EUV 광원 없이 저비용 고해상도 공정이 가능하나, 금속산화 및 투과 깊이의 제한이 단점이다.
(4) 단일 분자 및 나노입자 이미징
단백질, 엑소좀, 단일 나노입자의 실시간 결합과 반응 과정을 플라스모닉 산란 영상으로 관찰 가능하며 딥러닝 기반 분석(예: ANnet, U-net 모델)을 통해 누설 복사광(Leakage radiation) 모멘텀을 정밀하게 예측할 수 있다.
(5) 플라스모닉 나노홀 어레이 기반 생체 영상
세포 내 소기관(미토콘드리아, 리소좀) 이동을 나노미터 정밀도로 추적하거나 실시간 3D 추적을 통해 신경세포 내 수송 메커니즘 및 질환 연구 등에 응용할 수 있다.
(6) 플라스모닉 라만 현미경
국소 플라스몬장을 이용해 라만 산란 신호를 향상시킨 초해상도 분광시스템 구현을 통하여 세포 내 지질, 단백질 분포 등의 초분해능 관찰이 가능하다.
4. 메타구조 응용 분야
메타구조의 응용 분야로 평면형 초박형 메타렌즈를 이용하여 굴절과 반사를 동시에 제어하여 이미징, 영상 시스템, AR/VR, 광통신 등에 사용 가능하며. OLED 성능 향상이나 스텔스 기술에 응용하여 레이더 흡수 및 다중대역 위장, 또는 양자·포토닉 소자를 기반으로 완전 흡수, 초고속 스위칭, 음굴절 등의 특성을 구현할 수 있다.
최근에는 이를 확장한 무작위 금 나노섬 기반 플라스모닉 랜덤 메타구조를 이용하 마이크로유체 칩 기반 장뇌축 엑소좀 추적 등 다양한 분야에서 확장이 가능하다(참고문헌/참고자료(Reference) [2]).
5. 결론 및 전망
플라스모닉스와 메타구조는 빛의 국소화, 증강, 정밀 제어를 가능하게 하여 나노광학·바이오센서·초분해능 이미징·양자광학 등에서 핵심 기술로 부상하고 있다. 향후 AI·머신러닝 기반 데이터 해석과 결합함으로써, 생체 동역학의 실시간 정량화, 노이즈 환경에서의 영상 복원, 고감도 센서 및 초해상도 이미징 설계 등이 가능해질 것으로 전망된다.
결론적으로, 본 주제는 플라스모닉 근접장 기술과 AI 융합을 통한 차세대 광과학 혁신의 방향성을 제시한다.
‘플라스모닉스를 이용한 나노 스케일 광측정 및 공정 기술’에 관한 궁금한 내용은 본 원고 자료를 제공한 김동현 교수를 통하여 확인할 수 있다.
[사진 2]. 2025 스마트 사이언스 코리아 with KOREA LAB Autumn 특별강연 현장
Reference(참고문헌): [1] Yoo, et al., "Near-isotropic Super-Resolution Microscopy with Axial Interference Speckle Illumination," Nature Communications, (in press). [2] Lee, et al., "Random Metastructures for Nanoscale Visualization of Single Exosome Dynamics in a Gut-Brain-Axis-on-a-Chip," ACS Nano 19(33), 30349–30360 (2025).
The Person in Charge(발표자): 연세대학교 전기전자공학부 김동현 교수
e-mail: kimd@yonsei.ac.kr
<이 기사는 사이언스21 매거진 2025년 11월호에 게재 되었습니다.>
[사진 1]. 2025 스마트 사이언스 코리아 with KOREA LAB Autumn 특별강연 현장1. 연구 개요 및 배경본 발표는 플라스모닉스(Plasmonics)기반의 나노광학 현상과 그 응용 기술을 중심으로, 나노미터 수준의 빛의 제어·측정·가공에 관한 최신 연구 동향을 다루었다.플라스모닉스는 금·은과 같은 금속 표면에서 자유전자의 집단 진동(표면 플라스몬)을 이용해, 빛의 파장보다 작은 영역에서 전자기장을 극도로 집중시키는 기술이다.이 현상은 전통적 광학 기술이 갖는 회절한계(Diffraction Limit)를 뛰어넘는 초고해상도 이미징, 정밀 센싱, 나노 가공 등을 가능하게 한다.2. 플라스모닉스와 메타물질의 개념 비교플라스모닉스 기술은 금속 기반 근접장(Near-field) 현상 중심으로 빛의 국소화(Localization)가 탁월하여 미세한 광 분포를 원하는 대로 구현할 수 있는 장점이 있으나 금속 손실로 인한 열 발생 및 소재의 한계가 존재한다. 이에 대하여 메타물질(Metamaterials)은 금속 및 유전체를 주기적으로 배열해 인공적으로 광학 상수를 조절할 수 있다.주로 원거리(Far-field) 파동 제어에 유리하며, 금속 기반 플라스모닉스 구조보다 설계 자유도가 대체로 높아 메타렌즈(Metalens) 등 초박형 광학소자에 응용 가능하다.두 기술은 상호 보완적이며, 메타-플라스모닉스(Meta-plasmonics) 기술로 통합될 경우 초소형·고성능 광소자 개발이 가능하다.3. 주요 기술 및 실험 결과(1) 표면 플라스몬 공명 (SPR) 센서얇은 금속막 위에서 표면 플라스몬이 외부 매질의 굴절률 변화에 따라 공명각이 변하는 현상을 이용하여 바이오센서로 응용 시, 단일 분자 결합(항원-항체 등)을 비표지(Label-free) 방식으로 감지가 가능하다.감도 향상을 위해 위상 검출, 산란 기반 검출, 다양한 방법과의 결합(Magneto-optic, Microcavity 등)이 모색되었다.(2) 플라스모닉 증강 현미경 (PEM)전반사 조건 하에서 플라스몬을 여기시켜, 수십 나노미터 수준의 깊이 해상도를 달성하였다.형광 신호 향상 및 소광(Quenching) 제어를 통한 초고감도 이미징이 가능하다. 세포 단위의 단일 입자 추적, 단백질 결합 관찰 등에 응용할 수 있다(참고문헌/참고자료(Reference) [1]).(3) 플라스모닉 리소그래피 (Plasmon Lithography)금속 박막에 결합된 플라스몬이 형성하는 극미세 근접장 패턴을 이용해 포토레지스트를 노광할 수 있으며 기존 광리소그래피의 회절한계(λ/2)를 넘어 λ/10~λ/20 수준, 즉 수십 나노미터 이하의 패턴 구현이 가능하다.고가의 EUV 광원 없이 저비용 고해상도 공정이 가능하나, 금속산화 및 투과 깊이의 제한이 단점이다.(4) 단일 분자 및 나노입자 이미징단백질, 엑소좀, 단일 나노입자의 실시간 결합과 반응 과정을 플라스모닉 산란 영상으로 관찰 가능하며 딥러닝 기반 분석(예: ANnet, U-net 모델)을 통해 누설 복사광(Leakage radiation) 모멘텀을 정밀하게 예측할 수 있다.(5) 플라스모닉 나노홀 어레이 기반 생체 영상세포 내 소기관(미토콘드리아, 리소좀) 이동을 나노미터 정밀도로 추적하거나 실시간 3D 추적을 통해 신경세포 내 수송 메커니즘 및 질환 연구 등에 응용할 수 있다.(6) 플라스모닉 라만 현미경국소 플라스몬장을 이용해 라만 산란 신호를 향상시킨 초해상도 분광시스템 구현을 통하여 세포 내 지질, 단백질 분포 등의 초분해능 관찰이 가능하다.4. 메타구조 응용 분야메타구조의 응용 분야로 평면형 초박형 메타렌즈를 이용하여 굴절과 반사를 동시에 제어하여 이미징, 영상 시스템, AR/VR, 광통신 등에 사용 가능하며. OLED 성능 향상이나 스텔스 기술에 응용하여 레이더 흡수 및 다중대역 위장, 또는 양자·포토닉 소자를 기반으로 완전 흡수, 초고속 스위칭, 음굴절 등의 특성을 구현할 수 있다.최근에는 이를 확장한 무작위 금 나노섬 기반 플라스모닉 랜덤 메타구조를 이용하 마이크로유체 칩 기반 장뇌축 엑소좀 추적 등 다양한 분야에서 확장이 가능하다(참고문헌/참고자료(Reference) [2]).5. 결론 및 전망플라스모닉스와 메타구조는 빛의 국소화, 증강, 정밀 제어를 가능하게 하여 나노광학·바이오센서·초분해능 이미징·양자광학 등에서 핵심 기술로 부상하고 있다. 향후 AI·머신러닝 기반 데이터 해석과 결합함으로써, 생체 동역학의 실시간 정량화, 노이즈 환경에서의 영상 복원, 고감도 센서 및 초해상도 이미징 설계 등이 가능해질 것으로 전망된다.결론적으로, 본 주제는 플라스모닉 근접장 기술과 AI 융합을 통한 차세대 광과학 혁신의 방향성을 제시한다.‘플라스모닉스를 이용한 나노 스케일 광측정 및 공정 기술’에 관한 궁금한 내용은 본 원고 자료를 제공한 김동현 교수를 통하여 확인할 수 있다.
[사진 2]. 2025 스마트 사이언스 코리아 with KOREA LAB Autumn 특별강연 현장Reference(참고문헌): [1] Yoo, et al., "Near-isotropic Super-Resolution Microscopy with Axial Interference Speckle Illumination," Nature Communications, (in press). [2] Lee, et al., "Random Metastructures for Nanoscale Visualization of Single Exosome Dynamics in a Gut-Brain-Axis-on-a-Chip," ACS Nano 19(33), 30349–30360 (2025).The Person in Charge(발표자): 연세대학교 전기전자공학부 김동현 교수e-mail: kimd@yonsei.ac.kr<이 기사는 사이언스21 매거진 2025년 11월호에 게재 되었습니다.>