대구경북과학기술원(DGIST) 동반진단의료융합연구실 김현민 선임연구원이 이끄는 연구팀이 최근 원자적층구조 2차원 물질을 소리 움직임까지 300nm의 고해상도로 이미징할 수 있는 기술을 개발해 소자 및 소재 연구에 새 지평을 열었다. 그동안 원자적층구조 2차원 물질의 특성 규명을 위해 광학, 라만, 형광, 순간 흡수법 등 다양한 연구가 이뤄져 왔다. 김 선임연구원은 3일 이번 연구와 관련해 "물질의 현상 규명을 300nm의 분해능으로 실시간 가능토록 하고, 초고속 전자의 움직임까지 밝힐 수 있는 광학기반 현미경은 이번에 처음"이라고 말했다.

원자층을 가지는 반도체 기반의 2차원 물질들은 2004년 처음 보고된 그래핀처럼 스카치테이프를 통해 박리돼 우연히 형성된 부분에 대한 연구에서 시작되는 경우가 많았다. 하지만 이 역시 용액 기반의 화학반응에 의해 제어되며, 특히 화학증기 증착법을 적용할 경우 대량생산이 용이하다는 사실이 밝혀졌다. 김 선임연구원이 광학현미경을 통한 이른바 '순간 2차 고조파 이미징 시스템' 개발에 눈 돌린 배경이다. 김 선임연구원은 연구를 시작한 계기를 묻는 질문에 "스카치테이프로 박리된 2차원 재료에서 단일 원자층을 광학 또는 라만 현미경으로 찾기는 아주 힘들고, 찾는다 하더라도 이들 장비를 통해 얻을 수 있는 특성 분석에는 한계가 있다"고 답했다. 

초고속 전자와 격자의 진동에 의해 발생된 초음파 측정에 이용 중인 기존의 장비는 낮은 신호대 잡음비와 공간적 분해능으로 응용이 제한적이다. 김 선임연구원 등이 개발한 현미경은 반도체형 2차원 물질의 대량생산 시대에 소재에 대한 빠르고 정확한 특성 분석을 가능토록 한다. '순간 2차 고조파 이미징 시스템'에 대해 "2차원 구조의 소재뿐만 아니라 페로브스카이트, 퀀텀 닷 등 소재 및 소자 단계 연구에 새로운 지평을 열었다"는 찬사가 과학기술계에서 나오는 이유다.

김 선임연구원 연구팀이 개발해낸 '순간 2차 고조파 이미징 시스템'은 향후 2차원 소재 공정 개발의 실시간 모니터링 방법에 영향을 주고, 비파괴 방식의 소재 검수와 이를 기반으로 한 다양한 소자의 연구에 적용할 수 있을 것으로 보인다. 김 선임연구원은 이번 기술의 적용 범위와 사례에 대해 "2차원 조화파가 발생할 수 있는 결정이나 바이오 관련 샘플에 사용할 수 있을 것"이라며 특히 "최근 초소형화 추세를 보이는 발광소자와 촉매, 태양전지 및 재생에너지 관련 소자의 다차원 분광 분석에 뛰어난 성능을 발휘할 수 있을 것으로 생각한다"고 말했다.

연구팀은 이번에 개발한 기술로 국내 특허 2건을 등록했고, 국내외 특허를 추가로 확보할 계획이다. 실용화를 위해서는 선결돼야 할 과제도 있다. 김 선임연구원은 "현 단계로도 다른 연구실 수준의 실용화는 가능하다"면서도 "신호의 신뢰성을 높이고 가독 영역을 넓혀 획득된 이미지의 후처리 기술에 대한 자동화 시스템 확보가 필요하다"고 했다. 그는 이어 "상업화 수준을 위해서는 이미지 처리 과정을 사용자 중심의 분석 장비로 전환하는 것과 획득된 이미지의 동영상화를 시스템으로 연계해 연속적으로 처리해야 하는 단계가 남아있다"고 했다. 

김 선임연구원은 포스텍(재료공학과) 졸업 후 미국으로 건너가 위스콘신주립대와 캘리포니아주립대에서 재료과학(석사)과 물리화학(박사)을 공부했다. 결맞음 반스톡스 라만 현미경과 다차원 분광 이미징 기반 시간분해 분광학 등 분야 연구에 매진해 왔으며 그동안 국내외에서 35편의 관련 논문을 냈다. 

김 선임연구원은 향후 연구와 관련해 "현재 확보한 물리적 회절한계의 분해능을 극복한 현미경으로 실제 사용 중인 소자의 전자의 움직임을 그대로 모니터링할 수 있는 광학적 솔루션을 개발해 제공하고 싶다"고 계획을 밝혔다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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