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이웃집과학자

빛이 만든 '신비한 힘'

By 이웃집과학자

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요약

빛이 만들어낸 '신비한 힘' 비밀이 풀렸습니다. '광유도력' 발생원리가 밝혀졌는데요. KRISS 이은성 책임연구원팀은 두 가지 물리적 원리를 기반으로 세계적 난제인 광유도력의 비밀을 푸는 데 성공했습니다. 전자기와 열역학 이론을 적용해 힘의 분광학적 특성을 분석하는 동시에 실험적으로는 나노물질에 탐침을 직접 두드리며 진동형태를 관찰한 겁니다. 실험 결과 광유도력은 나노물질의 종류에 따라 순수 전자기력만으로 생성되거나, 전자기력에 열역학적 힘이 더해져 생성됨이 밝혀졌습니다. 이는 향후 반도체 내부 결함 검출이나 소자 미세 패턴 분석, 치료용 나노입자의 성능검사 등에 활용될 전망입니다.

한국표준연구원(KRISS) 나노구조측정센터 이은성 책임연구원팀은 반도체 등 다양한 나노물질이 빛과 상호작용하면서 발생하는 광유도력(photo-induced force)의 물리학적 원리를 밝혀냈습니다. 나노물질이 빛과 반응할 떄 발생하는 신비한 힘의 원리를 세계 최초로 규명한 건데요. 발생원리의 불확실성으로 혼란이 있던 광유도력의 응용방향이 명확해짐에 따라 나노소자의 내부를 파괴 없이 탐침으로 두드려가며 측정하는 광유도력 현미경의 활용이 가속화될 것으로 전망됩니다. 해당 연구는 <PNAS>에 게재됐습니다.

  • 광유도력(photo-induced force)

빛에 의해 유도된 혹은 발생된 힘. 탐침이 시료에 가까이 접근한 상태에서 시료와 탐침 사이에 레이저빛을 쪼여주면 시료에 양극과 음극이 분리되는 이중극자가 형성되고 이는 다시 탐침에 또 다른 이중극자를 만듭니다. 이 두 이중극자 사이에 형성되는 전기적 힘을 광유도력이라 합니다. 

탐침이 금속으로 만들어졌다면 피뢰침 효과에 의해 탐침 주위의 전기장이 매우 커지고 이중극자의 크기도 커져 힘의 크기는 훨씬 강해집니다. 이 힘의 증가효과는 시료의 성질에 따라 변하므로 힘의 크기를 측정하면 시료의 광학적 특성을 밝혀낼 수 있습니다.


광유도력 현미경에 주목하라

미세한 물질의 형상이나 특성을 관찰하는 가장 대표적인 장비는 광학현미경입니다. 물질에 빛을 쪼이면 발생하는 반사광 또는 투과광을 렌즈로 집속하고 확대시키는 것이 광학현미경의 측정원리입니다. 하지만 물질의 크기가 나노미터급으로 빛의 파장보다 훨씬 작아지면 렌즈를 사용하는 광학현미경으로는 회절한계 때문에 제대로 관찰할 수 없습니다.

최근 기존의 문제점을 극복하기 위한 대안으로 세계의 연구진들이 광유도력 현미경(PiFM; Photo-induced Force Microscope)에 주목하고 있습니다. 광유도력 현미경은 렌즈 대신 미세 탐침으로 빛을 집속합니다. 레이저를 탐침에 쬐면 근접장이라는 나노미터 크기의 집속광이 생기는데 근접장은 관찰하려는 물질과 상호작용하여 탐침에 미세하게 당기거나 미는 힘을 발생시킵니다. 이 힘이 바로 광유도력입니다.


광유도력의 생성 원리.

출처KRISS

광유도력을 측정하면 물질의 광학적 특성을 파악할 수 있습니다. 하지만 이 힘의 근원에 대해서는 명확하게 밝혀진 바가 없어 학계에서 의견이 분분했습니다. 물리학적 원리가 규명되지 않은 측정결과는 신뢰성 확보가 어렵고 실제 산업에서의 활용에도 무리가 있었습니다.


전자기와 열역학 이론 적용해 분광학적 특성 분석했다

KRISS 이은성 책임연구원팀은 두 가지 물리적 원리를 기반으로 세계적 난제인 광유도력의 비밀을 푸는 데 성공했습니다. 전자기와 열역학 이론을 적용해 힘의 분광학적 특성을 분석하는 동시에 실험적으로는 나노물질에 탐침을 직접 두드리며 진동형태를 관찰한 겁니다. 실험 결과 광유도력은 나노물질의 종류에 따라 순수 전자기력만으로 생성되거나, 전자기력에 열역학적 힘이 더해져 생성됨이 밝혀졌습니다. 

광유도력현미경의 측정원리 모식도.

출처KRISS

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


광유도력 현미경(PiFM)의 측정 원리 모식도.

출처KRISS

광유도력의 근원이 명확해지고 학계 논란이 일단락됨에 따라 현미경을 통한 소자의 미세패턴 분석이나 내부 결함 측정의 정확도가 크게 향상될 것으로 보입니다. 활용의 폭이 넓어짐에 따라 암과 같은 질병을 진단하고 치료하는 나노입자의 경우 더욱 정확해진 광유도력 현미경으로 측정하면 입자의 효과를 사전에 평가할 수 있습니다.


KRISS 나노구조측정센터 이은성 책임연구원(왼쪽)팀이 레이저 빛을 광유도력 현미경 내부로 정렬시키기 위해 부품을 미세하게 조절하고 있다.

출처KRISS

KRISS 이은성 책임연구원은 "KRISS에서는 2018년 물질의 150 나노미터 내부까지 측정할 수 있는 광유도력 현미경 개발에 성공한 바 있다"며 "그동안 광유도력의 발생원리에 대한 논란으로 측정 결과에 대한 해석이 명확하지 못했는데, 세계적으로 인정받은 이번 결과를 통해 문제점이 해결되어 현미경의 응용연구가 활발해질 것으로 기대된다"고 전했습니다.


##참고자료##

  • Jahng, Junghoon, Eric O. Potma, and Eun Seong Lee. "Nanoscale spectroscopic origins of photoinduced tip–sample force in the midinfrared." Proceedings of the National Academy of Sciences 116.52 (2019): 26359-26366. 


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