세계 최초 '빛의 힘' 비밀 풀었다

광유도력 현미경 활용 커질듯 탐침과 시료 사이에 레이저를 쏘면 강한 근접장이 발생하면서 탐침에 힘이 유도된다. 이 힘의 크기는 시료의 내부 구조에 따라 변하며 이 변화를 측정해 나노구조의 내부 이미지를 얻을 수 있다. 한국표준과학연구원 제공 [파이낸셜뉴스] 나노물질이 빛과 반응할 때 발생하는 신비한 힘의 원리가 세계 최초로 국내 연구진에 의해 밝혀졌다. 이를 통해 나노소자의 내부를 파괴 없이 탐침으로 두드려가며 측정하는 광유도력 현미경의 활용이 가속화될 것으로 전망된다.

한국표준과학연구원(KRISS) 나노구조측정센터 이은성 책임연구원팀은 반도체 등 다양한 나노물질이 빛과 상호작용하면서 발생하는 광유도력의 물리학적 원리를 규명했다고 20일 밝혔다.

광유도력의 근원이 명확해져 현미경을 통한 소자의 미세패턴 분석이나 내부 결함 측정의 정확도가 크게 향상될 것으로 보인다. 활용의 폭이 넓어짐에 따라 암과 같은 질병을 진단하고 치료하는 나노입자의 경우, 더욱 정확해진 광유도력 현미경으로 측정하면 입자의 효과를 사전에 평가할 수 있다.

빛의 파장보다 작은 나노미터급 물질을 관찰할 수 있는 광유도력 현미경은 렌즈 대신 미세 탐침으로 빛을 집속한다. 레이저를 탐침에 쬐면 근접장이라는 나노미터 크기의 집속광이 생기는데, 근접장은 관찰하려는 물질과 상호작용해 탐침에 미세하게 당기거나 미는 힘을 발생시킨다. 이 힘이 바로 광유도력이다.

광유도력을 측정하면 물질의 광학적 특성을 파악할 수 있다. 하지만 이번 연구결과가 나오기전까지 이 힘의 근원에 대해서는 명확하게 밝혀진 바가 없어 학계에서 의견이 분분했다. 물리학적 원리가 규명되지 않은 측정결과는 신뢰성 확보가 어렵고 실제 산업에서의 활용에도 무리가 있다.

KRISS 이은성 책임연구원팀은 두 가지 물리적 원리를 기반으로 세계적 난제인 광유도력의 비밀을 푸는 데 성공했다. 전자기와 열역학 이론을 적용해 힘의 분광학적 특성을 분석함과 동시에, 실험적으로는 나노물질에 탐침을 직접 두드리며 진동형태를 관찰했다.

실험 결과 광유도력은 나노물질의 종류에 따라 순수 전자기력만으로 생성되거나, 전자기력에 열역학적 힘이 더해져 생성됨이 밝혀졌다.

이번 결과를 바탕으로 연구팀은 힘에 따른 나노물질의 범위를 가이드라인으로 제시하는 데에도 성공했다. 또한, 현미경의 탐침에 기능성 분자를 코팅하면 열역학적 상호작용이 증폭돼 이미지 선명도를 훨씬 높여줄 수 있다는 사실도 밝혀냈다.

KRISS 이은성 책임연구원은 "KRISS에서는 2018년 물질의 150 나노미터 내부까지 측정할 수 있는 광유도력 현미경 개발에 성공한 바 있다"라며 "그동안 광유도력의 발생원리에 대한 논란으로 측정결과에 대한 해석이 명확하지 못했는데, 세계적으로 인정받은 이번 결과를 통해 문제점이 해결돼 현미경의 응용연구가 활발해질 것으로 기대된다"라고 말했다.

KRISS 주요사업과 한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다.