성균관대학교 산학협력단

성균관대-포항공대-하버드메디컬스쿨, 초고속 감염병 진단 기술 개발

- 메타표면 칩 기반 초고속 PCR 기술 개발

- 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 후면 표지논문(Back Cover) 선정

▲ (왼쪽부터) 성균관대 김인기 교수, 성균관대/하버드메디컬스쿨 루크 리 교수, 포항공과대학교 노준석 교수, 김진곤 교수

생명물리학과 김인기, 루크 리 교수(하버드메디컬스쿨) 연구팀은 POSTECH(포항공과대학교) 노준석, 김진곤 교수 연구팀과 함께 메타표면 칩을 기반으로 한 초고속 유전자 증폭기술(PCR)을 개발했다. 이번 연구는 감염병 진단을 더 빠르고 효율적으로 할 수 있는 새로운 가능성을 제시한다.

PCR은 세균이나 바이러스의 DNA를 증폭해 감염병을 진단하는 기술로 기존 방식은 진단까지 몇 시간이 소요되고 고가의 장비가 필요해 현장 진단에 적합하지 않았다. 이를 개선하기 위해 연구팀은 빛을 열로 변환하는 메타표면 기술을 도입했다. 메타표면은 98% 이상의 빛을 흡수해 즉시 열을 발생시키며, 이로 인해 PCR 반응물을 빠르게 가열하고 냉각할 수 있다. 이렇게 개발된 메타표면 칩을 이용하면 30번의 가열과 냉각 주기를 3분 30초 내에 완료할 수 있으며, 바이러스 RNA 증폭도 6분 30초 내에 처리할 수 있다.

▲ [연구그림1] 메타표면 완전흡수체 기반 초고속 광 열 순환기

이 기술의 핵심은 질화타이타늄 기반 메타표면 완전흡수체를 사용했다는 점이다. 기존의 금 기반 광열효과에 비해 질화타이타늄은 더 넓은 파장 영역에서 빛을 흡수하고, 더 빠른 전자-전자 상호작용과 열 변환 속도를 보인다. 이로 인해 더욱 빠르고 효율적인 열 주기가 가능해졌으며 감염병 진단 시간을 획기적으로 단축할 수 있었다. 특히 이 기술은 콜로이달 리소그래피로 대면적 웨이퍼에 제작 가능해 향후 대량 생산에도 유리하다.

▲ [연구그림2] 10분 이내 감염병을 진단하는 메타표면 칩 기반 PCR

연구팀은 실제 실험을 통해 코로나19 오미크론 변이 바이러스 RNA를 이 기술로 효과적으로 증폭할 수 있음을 확인했다. 메타표면 칩은 대량 생산이 가능하며, 다양한 감염병을 현장에서 신속하게 진단할 수 있는 기술로 발전할 가능성이 크다. 이번 연구 성과는 재료공학 분야의 저명 국제학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 게재되었으며 해당 호의 뒷 표지논문(Back Cover)으로 선정되어 그 우수성을 인정받았다.

▲ 김인기 교수 연구팀의 연구성과가 Advanced Materials 후면 표지논문(Back Cover)으로 선정되었다.

이번 연구는 한국연구재단 STEAM 글로벌융합연구, 미래유망융합기술 파이오니어, 선도연구센터, 중견연구, 리더연구 및 세종과학펠로십 등의 연구지원사업을 통해 수행되었다.

※ 논문명: Ultrafast metaphotonic PCR chip with near-perfect absorber

※ 학술지: Advanced Materials(IF: 27.4)

※ 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adma.202311931