양자광이 자체 발광 광학 바이오센서를 가능하게 하다

의료 분야에서 바이오센서는 큰 주목을 받고 진단 도구로 활용되고 있습니다. 이러한 전기 장치는 생물학적 또는 화학적 신호를 측정하고 이를 전기 신호로 변환합니다. 

이들은 질병 모니터링 및 약물 발견부터 질병을 일으키는 미생물의 비침습적 검출, 땀, 타액, 소변, 혈액과 같은 체액에서 바이러스를 나타내는 마커 탐지에 이르기까지 다양한 분야에 활용됩니다.

바이오센서는 식품 검사 및 안전, 농업, 환경 연구, 바이오테크놀로지, 의료 분야에서도 활용되고 있습니다. 이러한 수요에 힘입어 전 세계 바이오센서 시장은 이미 연간 수백억 달러 규모를 목표로 하고 있습니다.

전형적인 바이오센서는 몇 가지 주요 구성 요소로 이루어집니다:

• 바이오 수용체
• 트랜스듀서
• 분석물
• 디스플레이

여기서 분석물은 식별 및 측정되는 관심 물질을 의미합니다. 예를 들어, 포도당을 감지하도록 설계된 바이오센서에서 포도당이 바로 분석물입니다.

바이오수용체는 DNA, 세포, 효소 또는 항체와 같은 생물학적 구성 요소로, 분석물을 인식합니다. 신호 생성 과정은 바이오수용체와 분석물의 상호작용에 따라 열, 빛 또는 변화의 형태로 발생하며, 이를 생체 인식(bio-recognition)이라고 합니다.

트랜스듀서는 생체 인식 이벤트를 측정 가능한 광학 또는 전기 신호로 변환합니다. 디스플레이는 그래픽, 숫자 또는 사용자가 이해할 수 있는 형태로 데이터를 생성하는 사용자 해석 시스템에 불과합니다. 

현재 트랜스듀싱 방식에 따라 전기화학, 열, 압전, 자기, 광학 바이오센서 등 약 네 가지 유형이 존재합니다. 각 유형은 생물학적 상호작용을 측정 가능한 신호로 변환하는 서로 다른 메커니즘을 사용합니다.

특히 광학 바이오센서는 극도의 민감도, 선택성, 빠른 측정 속도 덕분에 센싱 응용 분야에서 추가적인 장점을 가지고 있습니다. 또한 특정하고 비용 효율적인 방식으로 생물 및 화학 물질을 실시간으로 감지할 수 있습니다. 

광학 바이오센서는 광 신호를 전기 신호로 변환하는데, 이는 광장과 바이오수용체 또는 생체 인식 요소 간의 상호작용에 기반합니다.

이러한 바이오센서는 ‘라벨 프리(label-free)’와 ‘라벨 기반(label-based)’으로 구분됩니다. 라벨 프리에서는 분석물과 트랜스듀서의 직접적인 상호작용으로 신호가 바로 생성되고, 라벨 기반에서는 발광, 형광 또는 색도법을 통해 신호가 증폭됩니다. 

전통적인 분석 기법에 비해 뚜렷한 장점을 제공하지만, 광학 바이오센서는 외부 광원에 의존해야 하므로 실험실 환경에 국한되고 의료 및 환경 모니터링 현장에서의 활용이 제한됩니다.

광학 바이오센서의 실생활 적용 확대에 대한 과제를 극복하기 위해, EPFL 공학대학 Bionanophotonic Systems Laboratory의 연구원들은 외부 광원 없이도 생체분자를 감지할 수 있도록 양자 물리를 활용했습니다.

광학 바이오센싱의 한계를 뛰어넘다

생물학적 분석물을 감지하기 위해 광학 바이오센서는 빛 파장을 이용합니다. 나노포토닉 구조를 사용해 작은 칩 표면에서 빛을 나노미터 수준으로 압축하면 성능이 크게 향상될 수 있지만, 앞서 언급했듯이 이는 외부 광원을 필요로 하며, 이는 부피가 큰 장비를 동반해 빠른 진단 및 현장(point-of-care) 적용을 방해합니다.

따라서 빛 기반 바이오센서에서 외부 광원의 필요성을 없애기 위해 연구진은 양자 물리학에 주목했습니다.

그들은 양자 터널 접합에 의해 제공되는 내장형 광원을 갖춘 플라스몬 센서를 도입했습니다.

플라스몬 금속 나노구조는 강한 광장 강화와 국소 표면 플라스몬 공명 및 전파 표면 플라스몬 폴라리톤(SPP) 등을 통한 깊은 서브웨이브 길이 빛 제한 능력 때문에 광학 센서 분야에서 활발히 연구되어 왔습니다.

LSPR은 빛에 의해 조사될 때 나노구조 귀금속 표면 근처의 전도 전자들이 집합적으로 진동하는 현상으로, 이는 독특한 광학적 특성을 가진 국소 전자기장을 생성합니다.

반면 SPP는 표면 플라스몬이 광자와 결합해 금속과 유전체 사이 인터페이스를 따라 전파되는 전자기 표면 파동입니다.

이러한 원리를 기반으로 바이오센싱 장치는 기존 광학 센서의 감지 성능을 뛰어넘어 널리 상용화되고 있습니다.

실제로 평면 금속 박막 기반의 표면 플라스몬 공명(SPR) 바이오센서는 실시간으로 바이오분자 상호작용을 모니터링하는 표준 라벨 프리 기술 중 하나가 되었습니다.

나노플라스몬 바이오센서는 나노소재, LSPR 또는 SPR, 그리고 광학 바이오센서를 결합하여 필요한 샘플 부피를 감소시키고 실시간 단일 세포 분비 관찰을 가능하게 합니다.

이 분야의 최신 연구는 양자 플라스몬 감지 시스템을 탐구하고 있으며, 이는 단일 분자 수준까지 감지 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 기회를 제공하지만, 여전히 SPP를 여기시키기 위해 외부 광원이 필요합니다.

프리즘이나 회절격자와 같은 부피가 큰 장비와 결합되면 플라스몬 센서의 활용성이 제한됩니다. 생화학 연구와 의료 진단에서의 활용을 진전시키기 위해서는 소형화되고 통합된 장치가 필요합니다.

비탄성 전자 터널링을 활용한 온칩 광 생성

Nature Photonics¹에 발표된 이 연구는 ETH Zurich, ICFO, 연세대학교 연구진과 협력하여 EPFL 엔지니어들이 양자 터널링을 활용한 자체 발광 라벨 프리 온칩 광학 바이오센서를 선보였습니다. 양자 터널링은 입자가 고전적으로 통과할 수 없는 잠재 장벽을 통과하는 현상입니다.

비탄성 전자 터널링을 활용함으로써 연구진은 전압 형태의 지속적인 전자 흐름만으로도 빛을 발산하고 분자를 감지할 수 있는 장치를 만들었습니다.

“전자를 입자보다 파동으로 생각한다면, 그 파동은 매우 얇은 절연 장벽을 통과하면서 광자를 방출할 낮은 확률을 가집니다. 우리가 만든 것은 이 절연 장벽의 일부이면서 빛 방출 확률을 높이는 나노구조입니다.”

– 연구원 Mikhail Masharin

그들의 장치 설계에서는 절연체가 두 금속 사이에 위치한 다층 필름을 사용했습니다.

여기서 금(Au) 나노와이어는 얇은 알루미늄 층 위에 배치되며, 이 알루미늄 층이 터널 장벽 역할을 하여 아래의 알루미늄(Al) 필름과 구분됩니다.

상부 표면은 플라스몬 메타표면을 사용하여 두 가지 역할을 수행합니다. 나노구조의 금층은 터널 접합의 전기 접점이자, 비탄성 양자 전자 터널링과 빛 방출을 자유 공간 복사와 결합시키는 광학 인터페이스 역할을 합니다.

이는 메타표면이 양자 터널링을 위한 조건을 만들고 발생하는 빛 방출을 제어하는 특수한 특성을 가지고 있음을 의미합니다.

제어는 메타표면이 금 나노와이어 메쉬 형태로 배열된 덕분에 가능하며, 이들은 ‘나노 안테나’ 역할을 하여 바이오분자 검출에 필요한 나노미터 부피에 빛을 집중시킵니다.

이 배열은 전자기 광학 상태 밀도의 복사 성분을 강화함으로써 터널링 과정의 내부 양자 효율을 향상시키고, 결과적으로 복사 양자 효율을 높여 감지 신호를 증폭합니다.

쉽게 말해, 그들의 나노구조는 전자가 알루미늄 산화물 장벽을 통과해 얇은 금층으로 도달하도록 조건을 만들고, 이 과정에서 전자의 에너지가 집합적 여기(플라스몬)로 전달되어 광자를 방출합니다.

효율적이고 공간적으로 균일한 LIET(비탄성 전자 터널링에 의한 빛 방출)를 구현하기 위해 연구자는 바이오센싱에 최적화된 유연한 메타표면 설계를 사용했습니다. 첫 번째 저자이자 전 Bionanophotonic Systems Lab 연구원이며 현재 삼성전자 엔지니어인 이지혜는

“비탄성 전자 터널링은 매우 낮은 확률의 과정이지만, 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 발생한다면 충분한 광자를 수집할 수 있습니다. 우리는 이 최적화에 집중했으며, 이는 바이오센싱을 위한 매우 유망한 새로운 전략임이 입증되었습니다.” 

장치 설계는 바이오분자와 접촉할 때 빛의 스펙트럼과 강도가 변하도록 하여 라벨 프리 실시간 감지를 위한 강력한 기술을 제공합니다.

양자 바이오센서: 컴팩트, 확장 가능, 실시간

혁신적이고 컴팩트한 장치를 통해 연구진은 현재 시장에 나와 있는 센서들의 성능을 크게 향상시켰습니다.

Bionanophotonic Systems Laboratory의 책임자인 Hatice Altug는 다음과 같이 말했습니다:

“시험 결과, 우리 자체 발광 바이오센서는 아미노산과 고분자를 피코그램 농도(즉, 10⁻¹² 그램) 수준에서 감지할 수 있어 현재 가장 앞선 센서와 경쟁합니다.”

여기서 또 다른 중요한 점은 양자 역학을 활용해 돌파구를 만든 것으로, 이는 실용적인 영역으로 한 걸음 더 나아갔다는 것입니다.

양자 역학은 원자 및 아원자 수준에서 입자의 특성과 행동을 다루는 물리학의 근본 이론으로, 약 1세기 전 처음 제시된 이후 많은 연구가 진행되었습니다.

이 기간 동안 양자 역학은 전자용 반도체, 레이저, 자기공명영상(MRI) 등 수많은 현대 기술의 기반이 되었으며, 양자 컴퓨팅 및 고급 사이버 보안과 같은 미래 혁신에도 길을 열고 있습니다.

Google Quantum AI 하드웨어 담당 이사인 Julian Kelly에 따르면, 우리는 실제적인 돌파구가 나올 때까지 약 “5년 정도” 남은 상황이라고 합니다.

그에 따르면 양자 컴퓨터는 “우주가 가장 근본적인 수준에서 작동하는 방식을 접근할 수 있다”고 합니다.

Nvidia (NVDA ) CEO Jensen Huang도 비슷한 견해를 가지고 있습니다. 그는 양자 컴퓨팅이 “엄청난 영향을 제공할 잠재력이 있다”고 믿지만, “기술이 너무 복잡하다”고 덧붙였습니다.

이러한 상황 속에서 EPFL 엔지니어들은 양자 광원을 직접 칩 규모 장치에 내장하여 산업용 모니터링, 예를 들어 물 검사, 대기 질 관리, 식품 안전 등에 활용할 수 있는 바이오센싱 기술을 혁신했습니다. 그들의 돌파구는 양자 감지 및 스마트 센서 분야에서도 새로운 장치를 열어줄 수 있습니다.

여기서 LIET 센서 구조는 플라스몬 안테나가 광원과 감지 요소를 동시에 수행함으로써, 포토디텍터나 LED 위에 플라스몬 구조를 통합하는 설계에 비해 장치 면적을 크게 줄여줍니다.

연구진은 바이오분자와 나노미터 두께의 고분자를 사용해 장치를 테스트했으며, 방출된 빛의 강도와 스펙트럼 프로파일이 분석물 존재에 의해 발생하는 굴절률 변화에 따라 변한다는 것을 확인했습니다. 이는 LIET 장치가 포인트오브케어 응용을 위한 컴팩트하고 민감한 온칩 광학 바이오센서로 활용될 수 있음을 의미합니다.

연구에 따르면 이 감지 장치는 일반적인 광 검출기로 구동할 수 있을 만큼 충분한 방출 파워를 가지고 있습니다. 양자 플랫폼은 확장 가능하고 센서 제조 방법과 호환되어 대량 생산 및 배포가 가능하도록 설계되었습니다.

“우리의 연구는 빛 생성과 검출을 단일 칩에 결합한 완전 통합 센서를 제공합니다. 포인트오브케어 진단부터 환경 오염 물질 감지까지 다양한 응용 분야에 활용될 수 있는 이 기술은 고성능 센싱 시스템의 새로운 최전선을 열었습니다.”라고 Bionanophotonic Systems Lab 연구원 Ivan Sinev가 말했습니다.

센싱에 필요한 활성 면적이 1제곱밀리미터 이하에 불과하므로, 이 설계는 실용적인 전기광학 바이오센서와 새로운 응용을 실현할 흥미로운 가능성을 열어줍니다.

또한 현재의 테이블탑 시스템과 대비되는 새로운 휴대용 장치를 만들 수 있어, 의사 사무실, 요양원, 원격 클리닉 등 부피가 큰 실험실 장비가 실용적이지 않은 환경에 완벽히 맞습니다.

라벨 프리 특성과 실시간 모니터링 능력 덕분에 양자 바이오센서는 감염, 암, 대사 질환 등 질병의 바이오마커 추적에 최적입니다.

이 플랫폼은 나노광학, 재료 과학, 양자 컴퓨팅 등 다른 분야의 근본적인 과학적 통찰을 제공하여 발전을 촉진할 수 있습니다.

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양자 바이오센서 투자 기회 상위

이제 양자 기반 바이오센싱 분야의 기존 및 신흥 투자 옵션을 깊이 살펴보겠습니다.

기존 기업 및 플랫폼

분석 기기와 진단 분야에서 Agilent Technologies (A )는 새로운 기술을 제품 라인에 통합할 가능성이 있는 주요 기업 중 하나입니다.

이 회사는 진단, 생명 과학, 응용 시장에 특화된 점이 돋보이며, 소프트웨어 및 실험실 자동화 솔루션과 함께 시약, 장비, 소모품을 제공합니다. 올리고 기반 치료제용 활성 제약 성분 외에도 물질의 생물학적 특성을 식별, 정량 및 분석하는 장비와 소프트웨어를 제공합니다.

올해 초, Agilent는 ABB Robotics와 협력해 자동화 실험실 솔루션을 제공했으며, 이를 통해 연구 및 품질 관리와 같은 프로세스가 더 빠르고 효율적으로 진행됩니다.

시가총액 334억 5천만 달러인 Agilent의 주가는 현재 주당 117.76달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 12.16% 하락했지만 2021년 최고가인 약 180달러와 크게 차이 나지 않습니다. EPS(TTM)는 4.06달러이며, P/E(TTM)는 28.98, 배당 수익률은 0.84%입니다.

재무적으로, 회사는 최근 2025년 2분기 실적을 보고했으며, 매출이 6% 성장해 16.7억 달러, GAAP 순이익은 2억 1500만 달러, 주당 순이익(EPS)은 0.75달러였습니다.

광학/포토닉스 분야에서는 AMS(AMS-Osram)가 나노 규모 발광 부품으로 혜택을 받을 수 있습니다.

오스트리아에 본사를 둔 AMS는 통합 아날로그 마이크로칩을 설계·생산하며, 센서, 센서 인터페이스, 전원 관리, 모바일 엔터테인먼트 분야에서 통신, 의료 기술, 자동차 시장에 서비스를 제공합니다.

지난달 Sensors Converge 2025에서 AMS는 최신 다중 영역 직접 Time-of-Flight 센서를 선보였으며, 이는 이전 제품보다 20배 이상의 픽셀 수를 제공하면서도 저전력, 컴팩트한 올인원 모듈을 구현했습니다.

수십억 달러 규모의 시가총액을 가진 이 회사는 센서 기술에 특화된 풀 서비스 파운드리를 제공하며, EPS(TTM)는 -1.51, P/E(TTM)는 -6.82입니다.

2025년 1분기에 매출은 8억 2천만 유로였으며, 수익성이 개선되고 2025 회계연도에 1억 유로 이상의 자유 현금 흐름을 전망했습니다. 또한 회사는 부채 감소를 위해 사업 일부를 매각해 5억 달러 이상의 자본을 조달할 계획을 발표했습니다.

양자 및 나노기술 전문가

양자 분야를 살펴보면 Applied Materials (AMAT )는 증착 및 나노패브리케이션 도구를 제공하는 것으로 알려져 있으며, 이들의 시스템은 바이오센서 생산 규모 확대에 필수적입니다.

이 소재 엔지니어링 솔루션 기업은 세 가지 부문으로 운영됩니다: 반도체 시스템(주로 300mm 장비를 사용해 반도체 칩 또는 IC를 제조), 디스플레이(주로 스마트폰, 태블릿, PC, TV, 모니터, 노트북용 LCD, OLED 등 제조), 그리고 Applied Global Services(AGS)로 200mm 장비와 부품, 자동화 소프트웨어를 제공하여 팹을 지원합니다.

시가총액 1,460억 달러인 이 회사의 주가는 현재 182.10달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 11.8% 상승했습니다. EPS(TTM)는 8.21, P/E(TTM)는 22.20이며, 배당 수익률은 1% 이상입니다.

재무 측면에서, 회사는 2025년 2분기에 GAAP 총 마진 49.1%와 비GAAP 총 마진 49.2%를 보고했으며, 사상 최고 GAAP EPS는 2.63달러, 비GAAP EPS는 2.39달러였습니다. 이 기간 동안 영업 현금 흐름은 15.7억 달러였으며, Applied Materials는 주주에게 20억 달러를 배분했으며, 그 중 16.7억 달러는 자사주 매입, 3.25억 달러는 배당으로 지급했습니다.

CEO인 Gary Dickerson는 고성능, 에너지 효율적인 AI 컴퓨팅이 혁신의 주요 동인이라고 밝혔습니다.

초기 단계 및 스핀아웃

초기 단계 벤처에서는 Lux Capital이 소재 과학, 생화학, 전자, 항공우주, 인프라 등 신기술에 투자하는 것으로 알려져 있습니다. 이 벤처 캐피털(VC) 기업은 학계의 기술 발견을 지원하며, 바이오테크와 AI와 같은 분야에 최소 1억 달러를 투자할 계획을 가지고 있습니다.

Breakthrough Energy Ventures(BEV)는 또 다른 투자자로, 양자-나노기술 플랫폼 기업을 목표로 할 수 있습니다.

Bill Gates가 설립한 BEV는 전 세계 20명의 투자자로 구성되어 있으며, 스마트 센서, 저장 솔루션, 바이오테크부터 AI와 지속 가능성까지 다양한 분야에 투자해 왔습니다. 또한 Breakthrough Energy Coalition(BEC)을 통해 새로운 기술에 10억 달러 이상을 투자하겠다고 약속했습니다.

앞으로 EPFL, ETH, ICFO에서 양자 기술에 초점을 맞춘 스타트업이 스핀아웃될 가능성도 있습니다. 이는 새로운 것이 아니라, 수년간 많은 대학 스핀오프가 연구 결과를 상업화하는 사례가 있었기 때문입니다.

예를 들어, Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot , RSA Security, Nimble VR, Meraki 등은 모두 매사추세츠 공과대학(MIT)에서 스핀오프되었습니다.

EPFL도 Bionomous, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink 등 다양한 분야에서 다수의 스핀아웃을 배출했습니다.

ETH Zurich는 AI, 머신러닝, 바이오테크, 제약, 로봇공학 분야에서 스핀오프 기업을 배출했으며, ICFO에서도 최소 10개의 기업이 스핀오프했으며, 그 중 LuxQuanta는 양자 기술을 활용해 데이터 보안을 제공하고 있습니다.

결론

광학 바이오센서는 정밀 의료 진단, 맞춤형 의학, 환경 모니터링 분야에서 중요합니다. 자체 발광 플라스몬 바이오센서를 제공함으로써 최신 혁신은 양자 터널링과 포토닉스를 결합한 자체 포함형 칩이라는 변화를 제시합니다. 

이는 기존 센서 설계에 도전할 뿐만 아니라 양자 역학을 실용화한 사례로, 실험을 넘어 대규모 채택이 가능한 기술로 부각됩니다.

양자 광원을 직접 칩 규모 장치에 내장함으로써 연구진은 다양한 분야에서 다목적성, 소형화, 전례 없는 감도를 제공하는 새로운 바이오센싱 기술의 최전선을 열었습니다.

2025년 주요 양자 컴퓨팅 기업 목록을 보려면 여기를 클릭하십시오.

참조 연구:

1. Lee, J.; Wu, Y.; Sinev, I.; et al. Plasmonic Biosensor Enabled by Resonant Quantum Tunnelling. Nat. Photon. 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01708-y