나노기술의 발전과 함께 기존의 광학현미경으로 볼 수 없는 나노구조체를 관찰하기 위해 전자현미경이 활용되어 왔다. 전자현미경은 수 cm의 시료 형상에서 수 nm 이하의 나노형상, 심지어 원자 배열까지 1000만 배 이상 스케일을 변화시키면서 목표하는 나노물질 및 나노소자 등의 형태 및 성분정보 등을 얻을 수 있게 해준다. 하지만 이 경우 시료가 손상되는 단점이 있어, 시료를 파괴하지 않으면서 나노구조체를 관찰 할 수 있는 방법이 요구돼 왔다. 이 문제를 해결하는 것은 빛의 한계를 극복해야만 가능한 어려운 일이었다.
전자현미경의 한계를 극복하다
광학현미경의 분해능(접근한 두 점이나 선을 분별하는 능력)은 빛의 회절현상 때문에 빛의 파장의 절반인 0.2 μm 정도로 제한됐다. 즉 배율을 최대로 높여도 200 nm(머리카락 굵기의 약 1/500)보다 작은 물체는 관찰할 수 없었다.
이에 비해 전자현미경은 빛 대신 전자를 사용해 물체를 확대시켜 보여주기 때문에, 200 nm 이하의 물체나 패턴을 관찰할 수는 있지만, 살아있는 세포 등을 관찰하기는 부적합하고, 장시간 노출 시 측정대상(샘플)이나 사람이 해를 입을 수 있다. 특히 시료를 자르거나 코팅을 해야하는 등 변형 및 파괴로 인해 재사용이 불가능하다는 치명적인 단점이 있었다. 이에 세계의 여러 과학자들은 회절현상으로 인한 광학현미경의 한계를 극복하기 위한 연구를 지속적으로 진행해왔다.
이러한 가운데, ETRI 그래핀소자창의연구센터 연구팀이 별도의 시료 처리 없이 머리카락 굵기보다 약 625배 더 작은 160 nm 크기의 물체를 볼 수 있는 나노 이미징 렌즈를 개발, 전자현미경의 한계를 극복할 수 있는 길을 열었다.
* μm : 마이크로미터, nm : 나노미터
전자현미경의 한계를 극복하다
광학현미경의 분해능(접근한 두 점이나 선을 분별하는 능력)은 빛의 회절현상 때문에 빛의 파장의 절반인 0.2 μm 정도로 제한됐다. 즉 배율을 최대로 높여도 200 nm(머리카락 굵기의 약 1/500)보다 작은 물체는 관찰할 수 없었다.
이에 비해 전자현미경은 빛 대신 전자를 사용해 물체를 확대시켜 보여주기 때문에, 200 nm 이하의 물체나 패턴을 관찰할 수는 있지만, 살아있는 세포 등을 관찰하기는 부적합하고, 장시간 노출 시 측정대상(샘플)이나 사람이 해를 입을 수 있다. 특히 시료를 자르거나 코팅을 해야하는 등 변형 및 파괴로 인해 재사용이 불가능하다는 치명적인 단점이 있었다. 이에 세계의 여러 과학자들은 회절현상으로 인한 광학현미경의 한계를 극복하기 위한 연구를 지속적으로 진행해왔다.
이러한 가운데, ETRI 그래핀소자창의연구센터 연구팀이 별도의 시료 처리 없이 머리카락 굵기보다 약 625배 더 작은 160 nm 크기의 물체를 볼 수 있는 나노 이미징 렌즈를 개발, 전자현미경의 한계를 극복할 수 있는 길을 열었다.
* μm : 마이크로미터, nm : 나노미터
카본나노튜브 숲으로 회절한계를 해결하다
연구팀은 백금이 코팅된 카본나노튜브 숲으로 만든 나노렌즈를 이용해 가시광선 중 초록색 파장(532 nm)의 빛을 통해 160 nm 간격의 2개의 선 패턴을 관찰하는 데 성공했다.
본 기술은 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton)의 정보전달 특성에 착안해, 금속이 코팅된 카본나노튜브 숲을 회절한계를 극복할 수 있는 나노렌즈로 활용했다. 카본나노튜브 하나하나가 마치 모니터의 단위 픽셀처럼 작동해, 160 nm 간격으로 떨어진 두 개의 선 패턴 이미지를 구분할 수 있도록 구현한 것이다.
최근에 해외 몇몇 연구그룹에서 테라헤르츠파영역(Terahertz)이나 적외선영역(Infrared)에서는 이러한 회절한계 극복 이미징 연구가 진행된 바 있지만, 이들의 경우 가시광의 파장보다 훨씬 큰 파장 때문에 나노미터 크기의 물체를 관찰할 수 없으며, 분해능도 매우 떨어진다. 이에 비해 ETRI가 개발한 나노렌즈는 금속으로 코팅된 카본나노튜브 숲으로 만들어 가시광 영역에서 작동이 가능해 160 nm의 분해능을 실현할 수 있었던 것이다.
연구팀은 백금이 코팅된 카본나노튜브 숲으로 만든 나노렌즈를 이용해 가시광선 중 초록색 파장(532 nm)의 빛을 통해 160 nm 간격의 2개의 선 패턴을 관찰하는 데 성공했다.
본 기술은 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton)의 정보전달 특성에 착안해, 금속이 코팅된 카본나노튜브 숲을 회절한계를 극복할 수 있는 나노렌즈로 활용했다. 카본나노튜브 하나하나가 마치 모니터의 단위 픽셀처럼 작동해, 160 nm 간격으로 떨어진 두 개의 선 패턴 이미지를 구분할 수 있도록 구현한 것이다.
최근에 해외 몇몇 연구그룹에서 테라헤르츠파영역(Terahertz)이나 적외선영역(Infrared)에서는 이러한 회절한계 극복 이미징 연구가 진행된 바 있지만, 이들의 경우 가시광의 파장보다 훨씬 큰 파장 때문에 나노미터 크기의 물체를 관찰할 수 없으며, 분해능도 매우 떨어진다. 이에 비해 ETRI가 개발한 나노렌즈는 금속으로 코팅된 카본나노튜브 숲으로 만들어 가시광 영역에서 작동이 가능해 160 nm의 분해능을 실현할 수 있었던 것이다.
나노렌즈 개발에 한 걸음 다가가다
연구팀은 현재 나노렌즈 제작에 관한 국내 및 국제 특허를 확보한 상태로, 이번에 개발된 이미징 렌즈 기술을 통해, 막대 모양 패턴 수준을 뛰어넘어 가로와 세로방향의 문자, 더 나아가 3차원 분자구조까지 관찰할 수 있는 나노렌즈 개발을 위해 지속적으로 힘쓸 계획이다. 나아가 궁극적으로는 맨 눈으로 분자구조까지 실시간 관찰할 수 있는 나노현미경을 만들 수 있을 것이라는 기대도 가능하다.
한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단에서 지원하는 나노소재원천기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지인 『나노스케일(Nanoscale)』 4월 28일자에 게재되었다.
이번 연구 성과가 갖는 가장 큰 의의는 빛이 가지는 고유의 특성인 회절한계를 극복하여 이미징을 할 수 있음을 보였다는 점이다. 이는 많은 이들이 꿈꾸는 맨눈으로 분자구조를 확인할 수 있는 나노현미경 제작에 한걸음 더 다가가게 한 것으로, 향후 나노연구에 크게 기여할 것으로 기대된다.
연구팀은 현재 나노렌즈 제작에 관한 국내 및 국제 특허를 확보한 상태로, 이번에 개발된 이미징 렌즈 기술을 통해, 막대 모양 패턴 수준을 뛰어넘어 가로와 세로방향의 문자, 더 나아가 3차원 분자구조까지 관찰할 수 있는 나노렌즈 개발을 위해 지속적으로 힘쓸 계획이다. 나아가 궁극적으로는 맨 눈으로 분자구조까지 실시간 관찰할 수 있는 나노현미경을 만들 수 있을 것이라는 기대도 가능하다.
한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단에서 지원하는 나노소재원천기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지인 『나노스케일(Nanoscale)』 4월 28일자에 게재되었다.
이번 연구 성과가 갖는 가장 큰 의의는 빛이 가지는 고유의 특성인 회절한계를 극복하여 이미징을 할 수 있음을 보였다는 점이다. 이는 많은 이들이 꿈꾸는 맨눈으로 분자구조를 확인할 수 있는 나노현미경 제작에 한걸음 더 다가가게 한 것으로, 향후 나노연구에 크게 기여할 것으로 기대된다.
