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[연구자 인터뷰] 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장

나노 세계의 숨겨진 곳을 들여다보는 근접장 주사광학현미경(NSOM) 해상력 향상 기술 개발
하나로만 보였던 밤하늘의 별을 망원경으로 관찰하면 수백 개, 많게는 수십만 개의 별이 모여 있는 화려한 성단의 모습이 드러난다. 사람의 눈보다 망원경의 해상력이 뛰어나기 때문이다. 해상력은 광학기계로 식별되는 물체 위 두 점 사이의 최소 거리 또는 시각을 말하는데, 해상력이 높을수록 물체의 세밀한 부분을 관찰하기 유리하다.
최근 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단의 최원식 부연구단장 연구팀은 나노 세계를 관찰하는 근접장 주사광학현미경의 해상력을 높여 성능을 업그레이드하는 데 성공했다.즉, 숨겨진 별의 진짜 모습을 찾는 것처럼 그동안 보이지 않던 나노 구조의 미세한 정보까지 파악할 수 있는 이미징 기술을 개발한 것이다. 이번 연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재되며, 연구팀의 국제적 연구역량을 인정받았다.
기존 근접장 주사광학현미경의 한계 극복근접장 주사광학현미경(Near-field Scanning Optical Microscopy, NSOM)은 미세한 구멍이 뚫린 탐침을 실험재료 표면 20nm 정도까지 접근시킨 뒤 시료를 훑는다. 탐침과 표면의 상호작용을 통해 시료의 높이 정보를 파악하는 동시에 미세 구멍을 통과한 광신호를 이미징한다. 기존 근접장 주사광학현미경으로는 탐침의 구멍 크기(약 150nm)보다 작은 미세 구조는 관찰할 수 없었다. 구멍 크기를 작게 만들수록 해상력은 높아지지만, 광신호의 세기도 함께 작아지기 때문이다.
이에 연구팀은 여러 각도에서 입사되는 빛을 이용해 근접장 주사광학현미경의 해상력을 높여 이 한계를 극복해냈다. 먼저 유리 표면을 금으로 코팅한 뒤, 집속이온빔 장비를 이용해 50nm 간격을 둔 두 개의 직사각형을 그려냈다. 이렇게 준비한 ‘이중 슬릿 나노 구조’는 근접장 주사광학현미경의 해상력을 평가하는 표본으로 쓰였다.
연구팀은 근접장 주사광학현미경에 다양한 각도에서 빛을 쪼일 때 발생하는 근접장 이미지들을 이용해 숨겨진 반대칭 모드를 찾아냈다. 100개에 달하는 각도에서 빛을 입사시키며 근접장을 기록했고, 계산과 이미지 프로세싱을 통해 숨겨진 반대칭 모드를 시각화했다. 기존 현미경은 이중 슬릿을 하나의 점으로 이미징하지만, 개발된 현미경은 이중 슬릿을 구분할 수 있음을 확인했다. 탐침 구멍의 3분의 1밖에 되지 않는 세밀한 정보를 구분할 수 있을 정도로 해상력을 개선한 것이다. 따라서 개발된 현미경은 존재하지만 숨어있는 여러 개의 모드를 모두 찾아내기 때문에 더 미세한 정보 획득이 가능하다.
“일반적으로 수 나노미터 수준의 미세 관찰에는 전자현미경이 사용됩니다. 진공 상태에서만 시료를 관찰할 수 있는 전자현미경과 달리 근접장 주사광학현미경은 일반 대기 상태에서도 시료를 관찰할 수 있죠. 따라서 연구팀이 개발한 기술이 기존 전자현미경과 상호보완적으로 나노 세계를 관찰하는 데에 사용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 아울러 초소형 반도체, 나
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