나노 세계까지 볼 수 있는 현미경 개발

육안으로는 하나로 보였던 별을 망원경으로 관찰하면 여러 개의 별이 뭉친 성단의 모습이 드러난다. 우리 눈보다 해상력이 우수한 망원경이 눈에 보이지 않던 숨은 정보를 알려주기 때문이다. 멀리 떨어진 물체 관찰에 망원경이 쓰인다면, 미시세계는 현미경으로 관찰한다. 특히, 근접장 주사광학현미경(NSOM․Near-field Scanning Optical Microscopy)은 나노 세계에서 벌어지는 현상까지 관찰할 수 있는 도구다.

기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단 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 개발했다.

연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 논문명 ‘서브파장 나노구조체의 고차 고유모드 매핑을 위한 근거리 투과 매트릭스 현미경(Near-field transmission matrix microscopy for mapping high-order eigenmodes of subwavelength nanostructures)’으로 5월 22일(현지시각) 온라인 판에 게재됐다.

근접장은 공간을 따라 멀리 전파하지 못하고 시료 표면에 국소화된 빛을 말한다. 근접장 주사광학현미경은 작은 구멍이 뚫린 탐침을 시료 표면 20nm 정도의 근거리까지 접근시킨 뒤 시료를 훑는다. 탐침과 표면의 상호작용을 통해 시료의 높이정보를 파악하는 동시에 작은 구멍을 통과한 광신호를 이미징한다.

근접장 주사광학현미경은 나노 세계를 관찰하는 유용한 도구지만, 한계가 있다. 탐침에 뚫린 구멍의 크기보다 작은 것은 구분할 수 없다는 점이다. 구멍 크기를 작게 만들수록 해상력은 높아지지만, 이 경우 광신호의 세기도 함께 작아져 측정 자체가 어렵다. 이 때문에 기존 근접장 주사광학현미경으로는 구멍 크기(약 150nm) 보다 작은 미세 구조를 관찰할 수 없었다.

연구진은 근접장 주사광학현미경의 해상력을 높이는 데 성공하여 이러한 한계를 극복했다. 우선 연구진은 유리 표면을 금으로 코팅한 뒤, 집속이온빔 장비를 이용하여 50nm 간격을 둔 두 개의 직사각형을 그려냈다. 이렇게 준비한 ‘이중 슬릿 나노 구조’는 근접장 주사광학현미경의 해상력을 평가하는 표본으로 쓰였다.

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

연구진은 근접장 주사광학현미경에 다양한 각도에서 빛을 쪼일 때 발생하는 근접장 이미지들을 이용하여 숨겨진 반대칭모드를 찾아냈다. 100개에 달하는 각도에서 빛을 입사시키며 근접장을 기록했고, 계산과 이미지 프로세싱을 통해 숨겨진 반대칭모드를 시각화했다.

기존 현미경은 이중 슬릿을 하나의 점으로 이미징하지만, 개발된 현미경은 이중 슬릿을 구분할 수 있음을 확인했다. 탐침 구멍의 3분의 1밖에 되지 않는 작은 정보를 구분할 수 있을 정도로 해상력을 개선한 것이다.

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 설명했다.

일반적으로 수 나노미터 수준의 미세 관찰에는 전자현미경이 도구로 사용된다. 진공 상태에서만 시료를 미세 관찰할 수 있는 전자현미경과 달리 근접장 주사광학현미경은 일반 대기상태에서 시료를 관찰할 수 있다. 따라서 이번에 연구진이 개발한 기술을 통해 기존 전자현미경과 상호보완적으로 나노 세계를 관찰하는 시야를 넓혀갈 수 있을 것으로 기대된다.

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.

김민중 기자 science@