양자광을 이용한 자체 발광 광학 바이오센서

의료계에서는 바이오센서가 상당한 추진력을 얻다 진단 도구로 사용됩니다. 이러한 전기 장치는 생물학적 또는 화학적 신호를 측정하여 전기 신호로 변환합니다. 

이러한 기술은 질병 모니터링과 신약 개발부터 질병을 유발하는 미생물의 비침습적 탐지, 땀, 타액, 소변, 혈액 등 체액에서 바이러스를 나타내는 표지자 탐지에 이르기까지 모든 분야에 활용됩니다.

바이오센서는 식품 검사 및 안전, 농업, 환경 연구, 생명공학, 의료 시설 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 이러한 수요 증가에 힘입어 글로벌 바이오센서 시장 이미 매년 수천억 달러를 목표로 하고 있습니다.

일반적인 바이오센서는 몇 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

• 생체 수용체
• 변환기
• 분석 대상
• 디스플레이

여기서 분석물이란 식별 및 측정 대상인 관심 물질을 말합니다. 예를 들어, 포도당을 감지하도록 설계된 바이오센서에서 포도당은 분석물입니다.

생체수용체는 DNA, 세포, 효소, 항체와 같이 분석물을 인식하는 생물학적 구성 요소입니다. 신호 생성 과정은 열, 빛 또는 생체수용체와 분석물의 상호작용에 따른 변화의 형태로 발생하며, 이를 생체인식이라고 합니다.

변환기는 생체 인식 신호를 측정 가능한 광학 또는 전기 신호로 변환합니다. 디스플레이는 사용자가 이해할 수 있는 그래픽, 숫자 또는 기타 형태로 데이터를 생성하는 사용자 해석 시스템입니다. 

현재 바이오센서는 변환 방식에 따라 전기화학식, 열식, 압전식, 자기식, 광학식 등 네 가지 유형으로 나뉩니다. 각 유형은 생물학적 상호작용을 측정 가능한 신호로 변환하는 데 서로 다른 메커니즘을 사용합니다.

특히 광학 바이오센서는 뛰어난 감도, 선택성, 그리고 빠른 측정 속도 덕분에 감지 분야에서 탁월한 이점을 제공하는 것으로 알려져 있습니다. 또한, 특정적이고 비용 효율적인 방식으로 생물학적 및 화학적 물질을 실시간으로 감지합니다. 

광학 바이오센서의 작동 방식은 광신호를 생체수용체나 생체인식 요소와 광학계의 상호작용에 따라 활동이 결정되는 전기 신호로 변환하는 것입니다.

이러한 바이오센서는 분석물질과 변환기의 상호작용 시 직접 신호가 생성되는 "라벨 없음"과 생성된 신호가 발광, 형광 또는 비색 방법을 통해 증폭되는 "라벨 기반"으로 분류됩니다. 

광학 바이오센서는 기존 분석기술에 비해 뚜렷한 장점을 제공하지만, 외부 광원이 필요하므로 실험실 환경에만 적용이 제한되고 의료 및 환경 모니터링 환경에서는 사용이 불가능합니다.

EPFL 공과대학의 생체나노광자 시스템 연구실 연구진은 실제 생활에서 널리 쓰이는 기술에 따른 문제점을 극복하기 위해 양자 물리학을 활용해 외부 광원 없이도 생체 분자의 존재를 감지했습니다.

광학 바이오센싱의 경계 확장

생물학적 분석물을 감지하기 위해 광학 바이오센서는 빛파장을 활용합니다. 앞서 언급했듯이 작은 칩의 표면에서 빛을 '압축'하여 빛 파장을 나노미터 수준까지 집중시키는 나노광자 구조를 사용하면 성능을 크게 향상시킬 수 있지만, 이를 위해서는 외부 광원이 필요하고, 이를 위해서는 부피가 큰 장비가 필요하므로 신속한 진단이나 진료 시점 설정에는 사용할 수 없습니다.

따라서 빛 기반 바이오센서에서 외부 광원이 필요 없게 하기 위해 연구진은 양자 물리학에 눈을 돌렸습니다. 

그들은 양자 터널 접합에 의해 제공되는 내장된 광원을 갖춘 플라스모닉 센서를 도입했습니다. 

플라스모닉 금속 나노구조는 국소 표면 플라스몬 공명과 전파 표면 플라스몬 폴라리톤(SPP)을 통해 강력한 광학장 강화와 심파장 이하의 빛 제한을 지원하는 독특한 능력으로 인해 실제로 광학 센서용으로 활발히 연구되었습니다.

LSPR은 나노구조 귀금속 표면 근처에서 전도 전자가 빛을 받을 때 집단적으로 진동하는 현상입니다. 이는 독특한 광학적 특성을 가진 국부적인 전자기장을 생성합니다.

SPP는 들뜬 표면 플라스몬이 광자와 결합해 금속과 유전체 사이의 계면을 따라 이동할 때 발생하는 전자기 표면파입니다. 

이러한 점을 바탕으로 바이오센싱 장치는 기존 광학 센서의 감지 성능을 능가하여 널리 사용되고 상용화될 수 있었습니다. 

실제로, 평평한 금속 필름을 기반으로 한 표면 플라스몬 공명(SPR) 바이오센서는 생체 분자 상호작용을 실시간으로 모니터링하는 표준 무표시 기술 중 하나가 되었습니다.

나노소재, LSPR 또는 SPR, 광학 바이오센서를 결합한 나노플라스모닉 바이오센서는 필요한 샘플량을 줄여서 실시간 단일 세포 분비를 관찰할 수 있게 해줍니다. 

현재 이 분야의 발전은 단일 분자 검출 수준까지 소자 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 가능성을 발견할 수 있는 양자 플라즈몬 감지 시스템에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 그러나 나노포토닉스 분야의 모든 발전에도 불구하고, SPP를 여기시킬 외부 광원은 여전히 ​​필요합니다.

프리즘이나 회절격자와 같은 부피가 큰 장비와 결합하면 플라즈모닉 센서의 활용도가 제한됩니다. 생화학 연구 및 의료 진단 분야에서의 활용을 확대하려면 소형화 및 집적화가 필요합니다.

온칩 광 생성을 위한 비탄성 전자 터널링 활용

에 게시됨 자연 Photonics¹ EPFL 엔지니어들은 ETH 취리히, ICFO, 연세대학교의 연구자들과 협력하여 자체 발광하고 양자 터널링을 활용하는 칩상 라벨 없는 광학 바이오센서를 선보였습니다. 양자 터널링은 입자가 일반적으로 넘을 수 없는 잠재 에너지 장벽을 통과하는 현상입니다.

연구진은 비탄성 전자 터널링을 이용하여 분자를 밝히고 식별하는 데 필요한 전기 전압의 형태로 전자의 꾸준한 흐름만 필요한 장치를 만들어냈습니다. 

전자를 입자가 아닌 파동으로 생각하면, 그 파동은 극히 얇은 절연 장벽의 반대편으로 '터널링'하면서 광자를 방출할 확률이 매우 낮습니다. 우리는 이 절연 장벽의 일부를 형성하면서 빛 방출 확률을 높이는 나노구조를 개발했습니다.

– 연구원 미하일 마샤린

엔지니어들은 장치를 설계할 때 두 금속 사이에 절연체를 넣은 다층 필름을 사용했습니다. 

여기서 금(Au) 나노와이어는 터널링 장벽인 얇은 알루미늄 층 위에 배치되어 바닥에 있는 알루미늄(Al) 필름과 분리됩니다. 

상단 표면은 이중 기능을 하는 플라즈모닉 메타표면을 사용하며, 이는 혁신의 핵심을 이룹니다. 나노구조의 금 층은 터널 접합의 전기적 접점 역할을 할 뿐만 아니라, 광 방출을 동반하는 비탄성 양자 전자 터널링과 자유 공간 복사의 결합을 용이하게 하는 광학적 인터페이스 역할을 합니다.

이는 메타표면이 양자 터널링의 조건을 만들고 그에 따른 빛 방출을 제어하는 ​​특별한 속성을 보인다는 것을 의미합니다. 

이러한 제어는 금 나노와이어 망사 구조로 이루어진 메타표면의 배열을 통해 가능합니다. 이 메타표면은 생체 분자의 효율적인 감지에 필요한 나노미터 크기의 빛을 집중시키는 '나노안테나' 역할을 합니다.

이러한 배열은 광학 상태의 전자기 밀도의 복사 성분을 향상시켜 터널링 과정의 내부 양자 효율에 영향을 미치고, 결과적으로 복사 양자 효율을 개선하고, 결과적으로 감지된 신호를 향상시킵니다. 

간단히 말해서, 나노 구조는 전자가 나노 구조를 통과하여 산화 알루미늄 장벽을 넘어 금(Au)의 초박막 층에 도달할 수 있는 최적의 조건을 기본적으로 만들어냅니다. 이 과정에서 전자 에너지의 일부가 집단 여기(일명 플라스몬)로 전달되고, 이 과정에서 광자가 방출됩니다. 

효율적이고 공간적으로 균일한 LIET(비탄성 전자 터널링으로부터의 광 방출)를 생성하기 위해, 연구진은 바이오센싱에 최적화된 유연한 메타표면 디자인을 사용했습니다. 제1저자인 이지혜는 전 바이오나노포토닉스 시스템 랩 연구원이자 현재 삼성전자 엔지니어입니다.

비탄성 전자 터널링은 매우 낮은 확률의 과정이지만, 매우 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 발생하는 낮은 확률의 과정이라면 충분한 광자를 수집할 수 있습니다. 바로 이 부분에 최적화를 집중했고, 이는 바이오센싱 분야에서 매우 유망한 새로운 전략으로 밝혀졌습니다. 

이 장치의 설계는 생체 분자와 접촉할 때 빛의 스펙트럼과 강도가 변하도록 하여 라벨이 없는 실시간 감지를 위한 강력한 기술을 제공합니다.

양자 바이오센서: 소형, 확장성, 실시간성

연구진은 혁신적이고 컴팩트한 장치를 통해 현재 시중에 판매되는 센서의 성능을 크게 향상시켰습니다.

생체나노광자 시스템 연구소의 책임자인 하티체 알투그는 다음과 같이 말했습니다.

"테스트 결과, 당사의 자체 발광 바이오센서는 피코그램 농도(1조분의 1그램)의 아미노산과 폴리머를 감지할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이는 현재 사용 가능한 가장 진보된 센서와 견줄 만한 수준입니다."

여기서 또 다른 중요한 점은 획기적인 발견을 이루기 위해 양자역학을 사용했다는 점인데, 이는 본질적으로 이 연구를 실용적인 영역으로 더욱 확대한 것입니다.

원자와 아원자 수준에서 입자의 속성과 행동을 다루는 물리학의 기본 이론인 양자 역학에 대해서는 많은 연구가 진행되어 왔습니다. 양자 역학은 약 1세기 전에 처음 도입되었습니다.

이 기간 동안 양자역학은 다음을 포함한 수많은 현대 기술을 뒷받침하여 산업을 발전시키는 데 도움이 되었습니다. 전자용 반도체, 레이저, 자기공명영상(MRI) 등이 있습니다. 또한 양자 컴퓨팅과 첨단 사이버 보안과 같은 미래 혁신의 기반을 마련하고 있습니다. 

Google Quantum AI의 하드웨어 책임자인 줄리안 켈리에 따르면, "양자 컴퓨터에서만 해결할 수 있는 실질적인 응용 분야, 즉 획기적인 발전이 나타나기까지 약 5년이 걸릴 수 있습니다."

그에 따르면 양자 컴퓨터는 "가장 기본적인 수준에서 우주의 작동 방식에 접근할 수 있다."

엔비디아 (NVDA ) CEO 젠슨 황도 비슷한 견해를 가지고 있습니다. 그는 양자 컴퓨팅 "엄청난 영향을 미칠 수 있는" 잠재력을 가지고 있지만, "이 기술은 엄청나게 복잡하다"고 덧붙였다.

이러한 가운데, EPFL 엔지니어들은 양자 광원을 칩 스케일 장치에 직접 내장하여 산업 모니터링, 예를 들어 수질 검사, 대기 질 관리, 식품 안전 등에 활용할 수 있는 바이오센싱 기술에 혁명을 일으켰습니다. 이러한 획기적인 발견은 양자 감지 및 스마트 센서 분야에서도 새로운 장치의 가능성을 열어줄 수 있습니다.

LIET 센서 아키텍처는 플라스모닉 안테나가 광원과 감지 요소 역할을 모두 하기 때문에 광 검출기나 LED 위에 플라스모닉 구조를 통합하는 설계와 비교했을 때 실제로 더 작은 장치 공간을 제공합니다.

연구진은 생체 분자와 나노미터 두께의 폴리머를 사용하여 이 장치를 시험한 결과, 방출되는 빛의 세기와 스펙트럼 프로파일이 분석물질의 존재로 인한 국소적인 굴절률 변화에 의해 조절된다는 것을 발견했습니다. 이는 LIET 장치가 현장진단(POC) 분야에서 작고 민감한 온칩 광학 바이오센서로 사용될 수 있음을 의미합니다.

연구에 따르면, 이 감지 장치는 가장 일반적인 광 검출기와 함께 작동할 수 있을 만큼 충분한 방출 전력을 가지고 있습니다. 양자 플랫폼은 확장 가능하고 센서 제조 방식과 호환되므로 광범위한 생산 및 배포가 가능합니다.

"저희 연구는 단일 칩에 빛 생성과 감지 기능을 결합한 완전 통합 센서를 제공합니다. 현장 진단부터 환경 오염 물질 감지까지 다양한 분야에 적용될 수 있는 이 기술은 고성능 감지 시스템의 새로운 지평을 열 것입니다."라고 바이오나노포토닉 시스템즈 랩 연구원 이반 시네프는 말했습니다.

감지에 필요한 활성 영역이 1제곱밀리미터 미만이므로 이 설계는 실용적인 전기광학 바이오센서와 새로운 응용분야를 실현하는 데 흥미로운 전망을 열어줄 수 있습니다. 

또한, 현재의 테이블탑 방식과 달리 휴대형 기기가 개발될 가능성이 있으며, 의사 사무실, 요양원, 외딴 진료소와 같이 부피가 큰 실험실 장비가 실용적이지 않은 환경에 완벽하게 들어맞을 수 있습니다. 

레이블이 없고 실시간 모니터링이 가능한 이 양자 바이오센서는 감염, 암, 대사 장애 등의 질병에서 바이오마커를 추적하는 데 매우 적합합니다.

이 모든 것 외에도, 이 플랫폼은 나노 광학, 재료 과학, 양자 컴퓨팅을 포함한 다른 분야를 발전시키는 데 도움이 되는 기본적인 과학적 통찰력을 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다.

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최고의 양자 바이오센서 투자 기회

이제 양자 기반 바이오센싱 분야의 기존 및 신규 투자 옵션에 대해 자세히 알아보겠습니다.

기존 플레이어 및 플랫폼

분석 장비 및 진단과 관련하여 애질런트 테크놀로지스 (A ) 새로운 기술을 자사 제품 라인에 통합할 수 있는 주목할 만한 이름 중 하나입니다.

이 회사는 진단, 생명 과학 및 응용 시장 분야의 전문성으로 두각을 나타냅니다. 소프트웨어 및 실험실 자동화 솔루션은 물론 시약, 기기 및 소모품도 제공합니다.올리고 기반 치료제를 위한 활성 제약 성분을 제공하며, 물질의 생물학적 특성을 식별, 정량화, 분석하는 장비와 소프트웨어도 제공합니다.

올해 초, Agilent는 ABB Robotics와 협력하여 자동화된 실험실 솔루션을 제공함으로써 연구 및 품질 관리와 같은 프로세스를 더 빠르고 효율적으로 만들었습니다.

시가총액 33.45억 117.76천만 달러인 애질런트의 주가는 현재 12.16달러에 거래되고 있으며, 이는 연초 대비 2021% 하락한 수치이지만, 180년 최고치인 4.06달러와 큰 차이를 보이지는 않습니다. 주당순이익(EPS)은 28.98달러, 주가수익비율(P/E)은 0.84배이며, 배당수익률은 XNUMX%입니다. 

재정적 측면에서 회사는 최근 2년 2025분기 실적을 보고했는데, 매출은 6% 성장해 1.67억 215천만 달러였고, GAAP 순이익은 0.75억 XNUMX만 달러, 주당순이익(EPS)은 XNUMX달러였습니다.

광자공학/광학 분야에서는 나노스케일 발광 부품으로부터 이익을 얻을 수 있는 기업으로 AMS(AMS-Osram)가 꼽힌다.

The 오스트리아에 본사를 둔 AMS는 통합 아날로그 마이크로칩을 설계 및 생산하며 센서, 센서 인터페이스, 전원 관리 및 모바일 엔터테인먼트 분야에서 서비스를 제공합니다.통신, 의료 기술, 자동차 시장에서 활약하고 있습니다.

AMS는 지난달 Sensors Converge 2025에서 최신 다중 구역 직접 ToF 센서를 선보였습니다. 이 센서는 낮은 전력에서도 기존 센서보다 20배 이상 많은 픽셀을 제공하는 컴팩트한 올인원 모듈입니다.

센서 기술을 전문으로 하는 풀서비스 파운드리를 제공하는 1.51억 달러 규모의 시가총액 기업의 EPS(TTM)는 -6.82이고 P/E(TTM)는 -XNUMX입니다.

1년 2025분기에는 820억 100천만 유로의 매출을 기록했으며, 수익성 개선과 25 회계연도 XNUMX억 유로 이상의 잉여현금흐름 전망을 발표했습니다. 당시 회사는 부채 감축을 위해 사업 일부를 매각하여 XNUMX억 달러 이상의 자본을 확보할 계획이라고 밝혔습니다.

양자 및 나노 기술 전문가

양자 영역을 살펴보면, 응용 재료 (AMAT ) 증착 및 나노 제조 도구를 제공하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 시스템은 바이오센서 생산 규모를 확대하는 데 필수적입니다. 

재료 엔지니어링 솔루션 회사는 300개 부문을 통해 운영됩니다. 반도체 시스템 부문은 주로 반도체 칩이나 IC를 제조하는 데 사용되는 200mm 장비를 제조하고, 디스플레이 부문은 주로 스마트폰, 태블릿, PC, 텔레비전, 모니터, 노트북에 사용되는 LCD, OLED 및 기타 기술을 제조하는 제품으로 구성되며, Applied Global Services(AGS)는 XNUMXmm를 제조하고 제조 공장에 예비 부품과 자동화 소프트웨어를 제공합니다.

시가총액 146억 달러 규모의 이 회사의 시장 실적을 살펴보면, 이 글 작성 시점 기준 주가는 연초 대비 182.10% 상승한 11.8달러에 거래되고 있습니다. 주당순이익(EPS)은 8.21배, 주가수익비율(P/E)은 22.20배입니다. 주주가 얻을 수 있는 배당수익률은 1%를 상회합니다. 

재무 실적과 관련하여, 회사는 49.1년 2분기에 GAAP 기준 매출 총이익률 2025%, 비GAAP 기준 매출 총이익률 49.2%를 기록했습니다. 한편, GAAP 기준 주당순이익(EPS)은 사상 최고치인 2.63달러, 비GAAP 기준 주당순이익(EPS)은 2.39달러를 기록했습니다. 이 기간 동안 영업활동으로 창출된 현금은 1.57억 2천만 달러였으며, 어플라이드 머티어리얼즈는 주주들에게 1.67억 달러를 배당했는데, 여기에는 자사주 매입 325억 XNUMX천만 달러와 배당금 XNUMX억 XNUMX천 XNUMX백만 달러가 포함됩니다.

CEO인 게리 디커슨은 고성능, 에너지 효율적인 AI 컴퓨팅을 혁신의 주요 동력으로 꼽았습니다.

초기 단계 및 스핀아웃

초기 단계 벤처 투자 분야에서 럭스 캐피털(Lux Capital)과 같은 회사는 재료 과학, 생화학, 전자, 항공우주, 인프라 등 신기술에 투자하는 것으로 유명합니다. 이 벤처 캐피털(VC) 회사는 또한 생명공학 및 AI와 같은 분야의 유망한 연구를 지원하기 위해 최소 100억 달러를 투자할 계획으로 학자들의 기술 개발 발전을 지원해 왔습니다.

BEV(Breakthrough Energy Ventures)도 비슷한 양자 나노기술 플랫폼 기업을 타겟으로 삼을 수 있는 기업 중 하나입니다.

빌 게이츠가 설립한 BEV는 전 세계 20명의 투자자로 구성되어 있습니다. 이 펀드는 스마트 센서, 저장 솔루션, 바이오테크부터 AI와 지속가능성에 이르기까지 다양한 분야에 투자해 왔습니다. 또한 Breakthrough Energy Coalition(BEC)을 통해 신기술에 10억 달러 이상을 투자하기로 약속했습니다.

미래에는 EPFL, ETH, 또는 ICFO에서 양자 기술에 중점을 둔 스타트업이 분사되어 상업적인 기업으로 성장하는 모습을 볼 수도 있습니다. 하지만 이는 새로운 현상은 아닙니다. 지난 수년간 많은 대학 스핀오프 기업들이 대학에서 수행한 연구를 통해 개발된 기술 발명품을 혁신하기 위해 등장해 왔습니다.

예를 들어, Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot, RSA Security, Nimble VR, Meraki 등 많은 기업이 매사추세츠 공과대학교(MIT)에서 분사되었습니다.

EPFL에서도 Bionomics, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink 등 다양한 분야에 걸쳐 많은 분사가 이루어졌습니다.

취리히 연방공과대학교(ETH Zurich)는 AI, 머신러닝, 생명공학, 제약, 로봇공학 등의 분야에서 분사기업을 배출했으며, 최소 10개 기업이 ICFO에서 분사되었는데, 여기에는 양자 기술을 사용하여 데이터 보안을 제공하는 LuxQuanta가 포함됩니다.

맺음말

광학 바이오센서는 정밀 의료 진단, 개인 맞춤 의료, 그리고 환경 모니터링 분야에서 중요한 역할을 합니다. 자가 발광 플라스모닉 바이오센서를 통해, 이 최신 혁신은 양자 터널링과 광자공학을 결합하여 독립형 칩으로 구현하는 획기적인 변화를 보여줍니다. 

이는 기존의 센서 설계에 도전하는 것일 뿐만 아니라 양자 역학의 실용적 구현으로 돋보이며, 실험을 넘어 광범위한 채택 가능성이 있는 확장 가능한 기술입니다.

연구진은 양자 광원을 칩 스케일 장치에 직접 내장함으로써 바이오센싱 기술의 새로운 지평을 열었으며, 다양한 분야에 걸쳐 다용성, 소형화, 전례 없는 감도를 약속했습니다.

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참고 연구:

1. Lee, J.; Wu, Y.; Sinev, I.; et al. 공명 양자 터널링에 의해 구현되는 플라스모닉 바이오센서. Nat. Photon. 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01708-y