육안으로는 하나로 보였던 별을 망원경으로 관찰하면 여러 개의 별이 뭉친 성단의 모습이 드러날 때가 있습니다. 우리 눈보다 해상력이 우수한 망원경이 눈에 보이지 않던 영역을 보여주기 때문입니다. 멀리 떨어진 물체 관찰에 망원경이 쓰인다면 미시세계는 현미경으로 관찰합니다. 특히, 근접장 주사광학현미경(NSOM․Near-field Scanning Optical Microscopy)은 나노 세계에서 벌어지는 현상까지 관찰할 수 있는 도구입니다.
- 해상력(resolving power)
현미경을 비롯한 광학기계의 성능을 정하는 중요한 요소로 식별되는 물체 위 2점 사이의 거리 또는 시각을 말합니다. 해상력이 높을수록 물체의 세밀한 부분을 관찰하기 유리합니다.
기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 최원식 부연구단장(고려대 물리학과 교수) 연구팀은 김명기 고려대 KU-KIST융합대학원 교수팀과 함께 기존 근접장 주사광학현미경의 해상력을 향상시키고, 지금껏 관찰이 어려웠던 나노 구조의 미세정보까지 파악할 수 있는 이미징 기술을 개발했습니다. 해당 연구는 <Nature Communications>에 게재됐습니다.
기존의 주사광학현미경, 150nm 보다 작은 미세구조 관찰 어려웠다
근접장은 공간을 따라 멀리 전파하지 못하고 시료 표면에 국소화된 빛을 말합니다. 근접장 주사광학현미경은 작은 구멍이 뚫린 탐침을 시료 표면 20nm 정도의 근거리까지 접근시킨 뒤 시료를 훑습니다. 탐침과 표면의 상호작용을 통해 시료의 높이 정보를 파악하는 동시에 작은 구멍을 통과한 광신호를 이미징합니다.
근접장 주사광학현미경은 나노 세계를 관찰하는 유용한 도구지만, 한계가 있습니다. 탐침에 뚫린 구멍의 크기보다 작은 것은 구분할 수 없다는 점입니다. 구멍 크기를 작게 만들수록 해상력은 높아지지만, 이 경우 광신호의 세기도 함께 작아져 측정 자체가 어렵습니다. 이 때문에 기존 근접장 주사광학현미경으로는 구멍 크기(약 150nm) 보다 작은 미세 구조를 관찰할 수 없었습니다.
해상력 어떻게 높였나
연구진은 근접장 주사광학현미경의 해상력을 높이는 데 성공해 이러한 한계를 극복했습니다. 우선 연구진은 유리 표면을 금으로 코팅한 뒤, 집속이온빔 장비를 이용하여 50nm 간격을 둔 두 개의 직사각형을 그려냈습니다. 이렇게 준비한 '이중 슬릿 나노 구조'는 근접장 주사광학현미경의 해상력을 평가하는 표본으로 쓰였습니다.
이중 슬릿 나노 구조에 비스듬하게 빛을 입사시키면 빛이 슬릿에 걸리는 위상차로 인해 아주 약한 반대칭모드가 형성됩니다. 반대칭모드는 이중 슬릿이 2개임을 구분할 수 있는 미세정보를 담고 있습니다. 하지만 반대칭모드는 세기가 강한 대칭모드에 가려 기존 기술로는 따로 이미징하기 어려웠습니다.
- 대칭모드와 반대칭모드
대칭모드는 두 슬릿에 적용된 위상이 같은 모드이며 반대칭모드는 두 슬릿의 위상이 반대인 모드입니다. 슬릿의 위상이 반대가 되면, 이중 슬릿의 중간지점에서 상쇄간섭이 일어나 두 개로 구분된 광신호 이미지를 얻을 수 있습니다.
연구진은 근접장 주사광학현미경에 다양한 각도에서 빛을 쪼일 때 발생하는 근접장 이미지들을 이용해 숨겨진 반대칭모드를 찾아냈습니다. 100개에 달하는 각도에서 빛을 입사시키며 근접장을 기록했고 계산과 이미지 프로세싱을 통해 숨겨진 반대칭모드를 시각화했습니다. 기존 현미경은 이중 슬릿을 하나의 점으로 이미징하지만, 개발된 현미경은 이중 슬릿을 구분할 수 있음을 확인했습니다. 탐침 구멍의 3분의 1밖에 되지 않는 작은 정보를 구분할 수 있을 정도로 해상력을 개선한 겁니다.
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 설명했습니다.
일반적으로 수 나노미터 수준의 미세 관찰에는 전자현미경이 도구로 사용됩니다. 진공 상태에서만 시료를 미세 관찰할 수 있는 전자현미경과 달리 근접장 주사광학현미경은 일반 대기상태에서 시료를 관찰할 수 있습니다. 따라서 이번에 연구진이 개발한 기술을 통해 기존 전자현미경과 상호보완적으로 나노 세계를 관찰하는 시야를 넓혀갈 수 있을 것으로 기대됩니다.
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 말했습니다.
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