나노 세계 미세 정보까지 파악...현미경 해상력 높였다

[이데일리 강민구 기자] 지금껏 관찰하기 어려웠던 나노 세계에서 벌어지는 현상을 관찰할 수 있는 기술이 나왔다.

기초과학연구원(IBS)은 최원식 분자 분광학·동력학 연구단 부연구단장 연구팀이 김명기 고려대 KU-KIST융합대학원 교수팀과 근접장 주사광학현미경의 해상력을 높여 나노 구조의 미세정보까지 파악할 수 있는 이미징 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

연구진이 개발한 근접장 광학전자현미경 개요.<자료=기초과학연구원>

근접장은 공간을 따라 멀리 전파하지 못하고 시료 표면에 국소화된 빛을 말한다. 근접장 주사광학현미경은 작은 구멍이 뚫린 탐침을 시료 표면 20나노미터 정도의 가까운 거리까지 접근시킨 뒤 시료를 훑는다. 탐침과 표면의 상호작용으로 시료의 높이정보를 파악함과 동시에 작은 구멍을 통과한 광신호를 이미징한다.

이 현미경은 탐침에 뚫린 구멍의 크기보다 작은 것은 구분할 수 없다는 한계가 있다. 구멍 크기를 작게 만들수록 해상력은 높아지지만, 광신호의 세기도 함께 작아져 측정 자체가 어렵기 때문이다.

이에 연구진은 근접장 주사광학현미경의 해상력을 높여 문제를 해결했다. 우선 유리 표면을 금으로 코팅하고, 집속이온빔 장비를 이용해 50나노미터 간격을 둔 두 개의 직사각형을 그려냈다. 이렇게 만든 ‘이중 슬릿 나노 구조’는 현미경의 해상력을 평가하는 표본으로 쓰였다.

이중 슬릿 나노 구조에 비스듬하게 빛을 입사시키면 빛이 슬릿에 걸리는 위상차로 아주 약한 반대칭모드가 형성된다. 반대칭모드는 이중 슬릿이 2개임을 구분할 수 있는 미세정보를 담고 있지만 세기가 강한 대칭모드에 가려 기존 기술로는 따로 이미징하기 어려웠다.

연구진은 현미경에 다양한 각도에서 빛을 쪼일 때 발생하는 근접장 이미지들을 이용해 숨은 반대칭모드를 찾아냈다. 또 100개의 각도에서 빛을 입사시키며 근접장을 기록하고, 계산과 이미지 프로세싱으로 시각화했다.

현미경은 이중 슬릿을 구분해냈고, 탐침 구멍의 3분의 1밖에 되지 않는 작은 정보를 구분할 수 있을 정도로 높아진 해상력을 입증했다.

연구진은 개발한 현미경이 기존 전자현미경과 상호 보완적으로 나노 세계를 관찰하는 시야를 넓힐 것으로 기대했다.

최원식 부연구단장은 “초소형 반도체, 나노포토닉스의 발전과 함께 나노미터 수준의 해상력을 갖는 이미징 기술의 중요성이 커졌다”며 “더 복잡하고 미세한 나노 구조까지 파악하도록 기술을 개선할 계획”이라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 22일자 온라인 판에 게재됐다.