원자 단위로 층을 이루는 물질의 소리 움직임을 300나노미터의 고해상도로 이미징할 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다. 이 기술은 앞으로 신소재, 태양전지, 촉매 개발 등에 쓰일 수 있을 것으로 보인다.

3일 대구경북과학기술원(DGIST) 등에 따르면, 이 기술은 DGIST 동반진단의료융합연구실 김현민 선임연구원 연구팀이 연세대 안종현 교수팀과 공동연구를 통해 개발했다. 이번에 개발된 기술은 대표적인 원자적층 구조 2차원 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)의 극초속 움직임을 300nm의 해상도로 분석할 수 있는 '순간 2차 고조파 이미징 시스템'이다. 

이 기술은 결정상의 물질에서 대칭이 깨지는 지점에서 프로파 파장의 절반에 해당하는 파장이 생성됨을 이용, 그것이 다른 파장을 가진 펌프파에 의해 이동된 전자와 격자 간의 반응으로 생성되는 약 1011Hz(1Hz는 1초에 1번 진동) 단위의 소리 발생을 측정해낸다.

지금까지 원자 단위의 2차원 구조체에서 펨토초(10-15초) 단위의 극초속 전자 움직임이나 그와 관련된 소리 발생을 측정하기 위해서는 펌프-프로브 방식으로 구성된 펄스파를 소재에 쏴 발생하는 프로브 파의 흡수나 반사의 변화를 측정하는 방식을 통했다. 하지만 이 경우 변화되는 신호가 작아 신호대 잡음비를 늘리기 위해 측정 시간을 늘리고 고성능 신호 증폭기를 사용해야 하는 등 번거로움이 따랐다. 

또 이런 방법에 사용되는 레이저는 에너지가 높아 레이저의 초점 사이즈를 수 ㎛ 미만으로 조절할 경우 샘플 손상 및 박리 현상을 야기하는데다 샘플 사이즈가 작을 경우 분석에 한계가 있어, 이를 보완하기 위한 연구가 최근 10여 간 국내외에서 이어져 왔다.

연구팀은 샘플 손상을 줄이는 동시에 레이저 초점 사이즈를 줄일 수 있도록 기존의 순간흡수방식 분광기에서 사용되던 레이저 출력을 수천에서 수만 배 정도로 줄이고, 실시간 시각화를 위해 고성능 스캐닝 시스템을 적용했다.

자연계에 존재하는 이황화몰리브덴 결정을 스카치테이프 박리법을 이용해 원자 층으로 만들고, 레이저와 접촉 시 발생하는 열을 원활히 배출토록 하기 위해 알루미나 층을 샘플 위에 얇게 입혀 대물렌즈에 최적화시켰다.

1.04㎛ 크기의 근적외선 파장을 프로브파를 이용해 레이저의 물질 투과도를 높이고 이에 따라 발생하는 2차 고조파 파장이 초록색(520nm)의 가시광선 영역에 위치토록 해 펌프파와 결합하면 2차원 물질의 밀집된 에너지 밴드의 이온화 에너지 부근 영역까지 전자의 움직임을 분석할 수 있도록 효율을 극대화했다.

아울러 시간분해 기능을 뺀 2차 고조파 이미징 시스템을 4파 혼합파 이미징 기능과 결합해 화학증기 증착법을 응용해 제조한 이황화몰리브덴의 적층구조 분석에 적용해 육각, 삼각 별 모양 등 다양한 구조 분석에 유용하게 쓰일 수 있음을 증명했다.

연구팀이 광학 현미경으로 개발한 순간 2차 고조파 이미징 시스템은 2차원 구조의 소재뿐 아니라 페로브스카이트, 퀀텀 닷 등 에너지 소재 및 촉매의 효율을 결정하는 전자의 수명 연구에 적용할 경우 관련 소재 및 소자 단계 연구에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 보인다.

김현미 선임연구원은 "순간 2차 고조파 이미징 기술을 이용하면 대량생산되는 재료의 전자-홀 움직임 분석을 동시다발적으로 시각화할 수 있다"며 이에 따라 "나노 신소재 기반 원천기술 개발에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 말했다. 

김 연구원은 이번에 확보한 고해상도 실시간 분석 기술을 물리적 회절제약 환경 분석으로 확대해 초정밀 에너지 및 광소자 개발 연구를 진행할 계획이다.

이번 연구 성과를 담은 논문은 국제저널 '어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials)' 13일자 표지논문(Frontispiece)과 네이처 자매지 '엔피지 아시아 머티리얼즈(NPG Asia Materials)' 9일자 온라인판에 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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