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IBS-고대, 나노 구조 미세정보까지 관찰 가능한 현미경 개발
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IBS-고대, 나노 구조 미세정보까지 관찰 가능한 현미경 개발
  • 김지연 기자
  • 승인 2020.05.25 12:30
  • 댓글 0
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근접장 주사광학현미경의 해상력 높이는 데 성공
빛 입사 근접장 계산과 숨겨진 반대칭 모드 시각화
전자현미경과 함께 나노 세계 관찰시야 넓힐 수 있을 것
[그림 1] 연구진이 개발한 근접장 광학전자현미경 개요
연구진이 개발한 근접장 광학전자현미경 개요/기초과학연구원

국내 연구진이 나노 구조의 아주 미세한 정보까지 관찰 가능한 기술을 개발했다. 

기초과학연구원(IBS)의 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장 연구팀과 김명기 고려대 KU-KIST융합대학원 교수팀이 함께 기존 근접장 주사광학현미경의 해상력을 향상시키고, 관찰이 어려웠던 나노 구조의 미세정보까지 파악할 수 있는 이미징 기술을 개발했다고 25일 밝혔다. 

근접장 주사광학현미경(Near-field Scanning Optical Microscopy)은 나노 세계에서 벌어지는 현상까지 관찰할 수 있는 도구다. 

우리 눈보다 해상력이 우수한 망원경이 눈에 보이지 않던 숨은 정보를 알려주는 것처럼 근접장 주사광학 현미경은 작은 나노세계를 관찰하는  도구다. 근접장은 공간을 따라 멀리 전파하지 못하고 시료 표면에 국소화된 빛을 말하는데 작은 구멍이 뚫린 탐침을 시료 표면 20nm정도의 근거리까지 접근시킨 뒤 시료를 훑는다. 또한 탐침과 표면의 상호작용을 통해 시료의 높이 정보를 파악하는 동시에 작은 구멍을 통과한 광신호를 이미징한다. 

그러나 이 도구는 유용하지만 한계가 있다. 탐침에 뚫린 구멍의 크기보다 작은 것은 구분할 수 없다는 점인데 구멍크기를 만들수록 해상력은 높아지지만, 이 경우 광신호의 세기도 함께 작아져 측정 자체가 어렵다고 한다. 

연구진이 개발한 근접장 주사광학현미경의 작동원리
연구진이 개발한 근접장 주사광학현미경의 작동원리/기초과학연구원

이러한 이유로 기존 근접장 주사광학현미경으로는 구멍 크기 약 150nm 보다 작은 미세 구조를 관찰할 수 없었다. 

연구진은 이 근접장 주사광학현미경의 해상력이 높이는 데 성공하여 한계를 극복했다. 유리표면을 금으로 코팅한 뒤, 직속이온빔 장비를 이용해 50nm 간격을 둔 두 개의 직사각형을 그려냈다. 이렇게 준비한 '이중 슬릿 나노 구조'는 근접장 주사광학현미경의 해상력을 평가하는 표본으로 사용됐다. 

연구진은 근접장 주사광학현미경에 다양한 각도에서 빛을 쪼일 때 발생하는 근접장 이미지들을 이용하여 숨겨진 반대칭모드를 찾아냈다. 100개에 달하는 각도에서 빛을 입사시키며 근접장을 기록했고, 계산과 이미지 프로세싱을 통해 숨겨진 반대칭모드를 시각화했다. 

대칭모드와 반대칭모드/기초과학연구원

기존 현미경은 이중 슬릿을 하나의 점으로 이미징하지만 개발된 현미경은 이중 슬릿을 구분할 수 있음을 확인하고 해상력을 개선했다. 

공동 교신저자인 김명기 교수는 “마치 연립방정식의 해를 찾는 것과 비슷한 계산”이라며 “기존 기술은 신호 세기가 가장 센 모드만을 시각화했지만, 개발된 현미경은 존재하지만 숨어있는 여러 개의 모드를 모두 찾아내기 때문에 더 미세한 정보 획득이 가능하다”고 설명했다.

미세 관찰에는 전자현미경이 사용되는데, 진공 상태에서만 시료를 미세 관찰할 수 있는 전자현미경과 달리 근접장 주사광학현미경은 일반 대기상태에서 시료를 관찰할 수 있다. 따라서 이번에 연구진이 개발한 기술을 통해 기존 전자현미경과 상호보완적으로 나노 세계를 관찰하는 시야를 넓혀갈 수 있을 것으로 기대된다. 

시뮬레이션을 이용한 실험결과 검증
시뮬레이션을 이용한 실험결과 검증-연구진을 시뮬레이션을 이용해 측정한 광학적 고유모드가 실제 존재하는 모드임을 확인했다. 대칭 조건을 적용한 시뮬레이션을 수행하였고(a), 발생한 광학적 고유모드들의 스펙트럼(b)과 각각의 고유모드의 전기장 이미지(c)를 얻어 실험결과와 잘 일치함을 확인했다./기초과학연구원

연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.878) 5월 22일자 온라인 판에 게재됐다.

최원식 부연구단장은 “초소형 반도체, 나노포토닉스 등의 발전과 함께 나노미터 수준의 해상력을 갖는 이미징 기술의 중요성이 점점 커지고 있다”며 “더 복잡하고 미세한 나노 구조까지 파악할 수 있도록 기술을 개선해나갈 계획”이라고 말했다.

케미컬뉴스 김지연 기자


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