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1. 서론
최근 광 기반 센서 플랫폼의 중요성이 산업, 환경, 식품 모니터링, 바이오센싱 등 다양한 응용 분야에서 증가하고 있다[1]. 광 기반 센서는 산업 전반에 걸쳐 증가 추세에 있는 무선 감지 기술을 적용할 수 있고 향상된 보안 및 안전 솔루션을 제공할 수 있어 기존 센서 플랫폼의 대안 기술로 주목받고 있다. 글로벌 광학센서 시장은 2020년 약 130억 달러에서 연평균 16.93% 증가하여 2026년에 약 260억 달러에 이를 것으로 전망된다[2]. 광 기반 센서의 세부 분야인 홀로그램 센서는 높은 정확도와 신뢰성, 전자기 간섭에 대한 내성의 장점이 있다. 반면에 높은 초기 투자금 및 부족한 기술 표준 등은 향후 광학센서 시장의 비중 확대를 위해 보완되어야 할 부분이다.
홀로그래피 광학소자는 빛의 회절과 간섭현상을 이용하여 제작된 일종의 회절 구조로서 홀로그램에 기록된 파형을 재생시키거나 변형시켜서 투과되거나 반사된 빛이 원하는 기능을 갖도록 제작된다[3]. 모르포(Morpho) 나비의 날개 및 공작새의 꼬리깃은 자연에 존재하는 대표적인 회절 구조로서 전자현미경으로 확대해보면 주기적인 배열이 나타나고, 이러한 구조로 인해 특정 빛깔의 색을 표현할 수 있다[그림 1(a), (b)]. 이러한 현상은 브래그 법칙(Bragg’s law)에 의해 설명할 수 있는데, 이는 같은 위상으로 입사되는 빛이 주기적 구조의 각 층에서 반사되고 반사된 빛이 서로 보강간섭을 일으켜 회절광을 나타낸다. 그림 1(c)와 같이 입사된 빛은 주기적 구조와 상호작용하여 특정 파장의 빛이 산란되도록 야기하며, 주기 d의 간격이 변화함에 따라 회절된 빛의 파장이 변경된다. 홀로그램 센서는 빛과 상호작용하는 방식에 따라 반사형과 투과형으로 구분되며, 반사형은 광 구조의 주기에 따라 파장을 선택적으로 반사하는 반면, 투과형은 통과하는 빛을 확산시키는 회절 패턴을 생성한다[그림 1(d)].
홀로그램 센싱 메커니즘은 본질적으로 구조에 내장되어 있어 외부 에너지원이 필요 없고, 분석물을 자극하지 않고 지속적으로 모니터링하여 수집된 데이터의 수준을 높일 수 있다. 또한 고가의 분석 장비 없이도 특정 분석물의 변화를 관찰할 수 있으며, 감도 변동(drift)이 덜 발생하기에 정기적인 재교정이 거의 필요하지 않다. 본 보고서는 최근에 출판된 리뷰 논문을 기반으로 홀로그램 바이오센서의 개발 현황 및 응용 분야에 대해 다루고자 한다[1].