IBS(기초과학연구원·원장 노도영)는 최원식 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 부연구단장 연구팀이 김명기 고려대 KU-KIST융합대학원 교수팀과 공동으로 기존 근접장 주사광학현미경의 해상력을 향상시키면서 지금껏 관찰이 어려웠던 나노 구조의 미세정보까지 파악할 수 있는 이미징 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

근접장은 일반적인 파동의 운동과 달리 공간상으로 퍼져나가지 않고 물체의 표면에 국소화 된 빛을 이른다. 근접장 주사광학현미경은 나노 세계를 관찰하는 도구다. 이 장비의 해상력은 탐침의 구멍 크기에 의존한다. 때문에 구멍보다 크기가 작은 미세구조의 경우 관찰이 어렵다. 구멍 크기를 작게 만들면 해상력은 높아지지만 광신호의 세기도 같이 작아져 측정 자체가 어렵다. 기존 근접장 주사광학현미경은 구멍 크기가 약 150nm보다 작아 미세 구조를 관찰할 수 없었다.

연구팀은 기존 문제 해결을 위해 우선 유리 표면을 금으로 코팅한 뒤 집속이온빔 장비를 이용해 50nm 간격을 둔 두개의 직사각형을 그려냈다. 이렇게 준비한 '이중 슬릿 나노구조'를 근접장 주사광학현미경이 해상력을 평가하는 표본으로 활용했다. 이중 슬릿 나노 구조에 비스듬하게 빛을 쪼이면 빛이 슬릿에 걸리는 위상차로 아주 약한 반대칭모드가 형성된다. 반대칭모드는 이중 슬릿의 중간지점에서 상쇄간섭이 일어나 두개로 구분된 광신호 이미지를 얻을 수 있다. 하지만 반대칭모드는 세기가 강한 대칭모드에 가려 기존 기술로는 따로 이미징하기 어려웠던게 사실이다.

연구팀은 근접장 주사광학현미경에 다양한 각도에서 빛을 쪼일 때 발생하는 근접장 이미지들을 이용해 숨겨진 반대칭모드를 찾아냈다. 100개에 달하는 각도에서 빛을 쪼여 근접장을 기록했고 연립방정식의 해를 찾는것과 같은 계산으로 광학적 모드를 분해하고 이미징 했다. 이를 바탕으로 숨겨진 반대칭모드를 시각화 했다. 기존 기술은 가장 세기가 강한 하나의 모드만을 이미징 한것과 달리 연구팀은 개발한 기술로 총 6개의 광학적 고유모드를 이미징하는데 성공했다.

향후 연구팀은 이미징 기술을 확장, 발전시킬 예정이다. 임의의 나노구조의 미세정보를 역산해 알아내는 이미징 기술 연구도 진행할 계획이다.

공동 교신저자인 김명기 교수는 "마치 연립방정식의 해를 찾는 것과 비슷한 계산"이라며 "기존 기술은 신호 세기가 가장 센 모드만을 시각화햇지만 개발된 현미경은 숨어있는 여러개의 모드를 모두 찾아내기 때문에 더 미세한 정보 획득이 가능하다"고 설명했다.

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.

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