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학술

나노 구조의 미세 정보까지 알아내는 현미경 개발

'Nature Communications' 5월 22일자 온라인 판에 게재


근접장 주사광학현미경 해상력 향상으로 나노 세계 보는 시야 확장 
"Near-field transmission matrix microscopy for mapping high-order eigenmodes of subwavelength nanostructures"



육안으로는 하나로 보였던 별을 망원경으로 관찰하면 여러 개의 별이 뭉친 성단의 모습이 드러난다. 

우리 눈보다 해상력 해상력(resolving power)1이 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, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 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.

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 반대칭모드 대칭모드와 반대칭모드2)가 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.

연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.878) 5월 22일자 온라인 판에 게재됐다.


[참조]
1) 해상력(resolving power): 현미경을 비롯한 광학기계의 성능을 정하는 중요한 요소로 식별되는 물체 위 2점 사이의 거리 또는 시각을 말한다. 해상력이 높을수록 물체의 세밀한 부분을 관찰하기 유리하다.
2) 대칭모드와 반대칭모드: 대칭모드는 두 슬릿에 적용된 위상이 같은 모드이며, 반대칭모드는 두 슬릿의 위상이 반대인 모드이다. 슬릿의 위상이 반대가 되면, 이중 슬릿의 중간지점에서 상쇄간섭이 일어나 두 개로 구분된 광신호 이미지를 얻을 수 있다. 



연구 추가설명

논문명 
Near-field transmission matrix microscopy for mapping high-order eigenmodes of subwavelength nanostructures 
Nature Communications

저자정보
Eunsung Seo, Young-Ho Jin, Wonjun Choi, Yonghyeon Jo, Suyeon Lee, Kyung-Deok Song, JoonmoAhn, Q-Han Park, Myung-Ki Kim, and Wonshik Choi


연구이야기

[연구 배경] 

나노 구조를 광학적으로 이미징하는 근접장 주사광학현미경의 해상력은 탐침의 구멍 크기에 의존한다. 구멍보다 크기가 작은 미세구조의 경우 관찰이 어렵다. 이러한 해상력의 한계로 인해 근접장 주사광학현미경으로는 나노 구조의 미세정보를 이미징할 수 없었다. 기존 근접장 주사광학현미경의 한계를 근본적으로 뛰어넘는 새로운 이미징 기술이 필요하다


[어려웠던 점] 

기존에는 더 미세한 구조를 관찰하기 위해 탐침 구멍의 크기를 줄이려는 시도가 진행됐다. 구멍의 크기가 작을수록 근접장 주사광학현미경의 해상도가 높아지기 때문이다. 하지만 구멍의 크기가 작아지면 구멍을 통과하는 광신호의 절대적인 세기가 약해지기 때문에, 신호 대 잡음비도 함께 저하된다. 신호의 세기가 작아 결국 이미징이 어렵다는 의미다. 이 때문에 우리 연구진은 구멍의 크기를 줄이지 않고도 미세구조를 이미징할 수 있는 기술 개발을 시작했다.


[성과 차별점] 

우리 연구진은 정밀한 파면 제어 기술을 근접장 현미경에 접목하고, 나노구조에서 발생하는 근접장을 측정하여 나노구조의 광학적 모드를 분해하여 이미징했다. 나노 구조에 다양한 각도의 평면파를 입사시키고, 투과면에 발생한 근접장을 기록했다. 이어 측정된 여러 근접장 이미지를 이용해 마치 연립방정식의 해를 찾는 것과 비슷한 계산으로 숨겨진 광학적 모드를 분해하고 이미징했다. 

이후 개발된 현미경 기술을 이용해 160x120nm2 크기 이중 슬릿 구조에 발생한 광학적 고유모드를 이미징했다. 기존 기술은 나노구조에 존재하는 모드들 중 가장 세기가 강한 하나의 모드만을 이미징할 수 있었다. 이와 달리 개발된 현미경은 짧은 방향으로 발생한 반대칭 모드와 긴 방향으로 발생한 정상파 모드, 그리고 사중극자 모드를 포함하여 총 6개의 광학적 고유모드를 이미징할 수 있다.


[향후 연구계획] 

본 연구진은 전달행렬 이미징 기술에 편광 선택적 측정 기술을 도입, 측정 속도 향상 등의 방법을 통해 이미징 기술을 확장, 발전시킬 계획이다. 나아가 임의의 나노구조의 미세정보를 역산하여 알아내는 이미징 기술에 관한 연구를 진행할 계획이다. 



그림 설명



IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 근접장 광학전자현미경(원거리장-근접장 전달행렬 이미징 현미경)의 개요. 파면을 제어하는 Spatial Light Modulator(SLM)와 근접장 주사전자현미경(NSOM)을 결합한 형태다. 다양한 각도에서 빛을 입사시키며 표본의 근접장을 측정하고, 이를 통해 숨겨진 고유모드를 관찰할 수 있었다. 





연구진은 아래쪽에서 다양한 각도의 평면파를 입사시키고, 투과면에서 탐침(probe tip)을 통해 근접장을 측정하는 이미징 시스템을 개발했다.





기존 근접장 주사광학현미경은 세기가 강한 대칭모드 만을 인식할 수 있었다. 대칭모드는 슬릿에 위상이 동일하게 걸린 모드로 이중슬릿이 하나의 직사각형으로만 보인다. 반면 개발된 현미경은 반대칭모드까지 인식이 가능하다. 반대칭모드는 슬릿에 위상이 반대로 걸린 모드로 슬릿이 두 개의 슬릿을 정확히 식별할 수 있다.





연구진을 시뮬레이션을 이용해 측정한 광학적 고유모드가 실제 존재하는 모드임을 확인했다. 대칭 조건을 적용한 시뮬레이션을 수행하였고(a), 발생한 광학적 고유모드들의 스펙트럼(b)과 각각의 고유모드의 전기장 이미지(c)를 얻어 실험결과와 잘 일치함을 확인했다.


연구진 이력사항



[ 최원식, IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장, 교신저자 ] 

1. 인적사항
 ○ 소 속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단
           고려대학교 물리학과
 ○ 전 화 : 02-3290-3118
 ○ e-mail : wonshik@korea.ac.kr 
 
2. 학력
  1993~1997  서울대학교 물리학과 학사
  1997~1999  서울대학교 물리학과 석사
  1999~2004  서울대학교 물리학과 박사
 
3. 경력사항  
  2006.01~2009.08  Massachusetts Institute of Technology 연구원
  2009.09~2012.08  고려대학교 이과대학 물리학과 조교수
  2012.09~2017.08  고려대학교 이과대학 물리학과 부교수
  2017.09~현재  고려대학교 이과대학 물리학과 교수
  2016.07~현재 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장
  2010~2016   Associate Editor, Biomedical Optics Express
  2017.02~현재 Editorial Board Member, Scientific Reports
  2019.10    미국 광학회 석학회원 (Fellow, Optical Society of America)

4. 전문 분야 정보 
  - Nature Methods 논문(2007년), The Economist, printed edition
  - Physical Review Letters 논문(2011년), New Scientist Magazine 올해의 10대 뉴스
  - Physical Review Letters 논문(2012년), Research highlight in Nature
  - Nature Photonics 논문 3편 발표(2012년, 2015년, 2018년), KBS, YTN, 동아일보 등에 소개



[ 김명기, KU-KIST융합대학원 부교수, 교신저자 ] 

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 고려대학교 KU-KIST융합대학원
 ○ 전 화 : 02-3290-4616
 ○ e-mail : rokmk@korea.ac.kr 
 
2. 학력
  1997~2004  고려대학교 물리학과 학사
  2004~2009  한국과학기술원 물리학과 박사
 
3. 경력사항  
  2018.03~현재 고려대학교 KU-KIST융합대학원 부교수
  2015.09~2018.02 고려대학교 KU-KIST융합대학원 조교수
  2013.11~2015.08 한국과학기술원 물리학과 연구조교수
  2012.04~2013.10 칼텍 (California Institute of Technology) 연구원
  2010.01~2012.03 UC 버클리 (University of California, Berkeley) 연구원
  2009.09~2009.12 한국과학기술원 기계공학과 연구원

4. 전문 분야 정보 
  - 주요 연구분야: 나노 광학, 미세 광통신 및 광집적회로 소자 개발, 미세 생체 광학, 양자 광학 등
  - 유럽 최고 광통신학회 European Conference on Optical Communication (ECOC) 기술자문위원으로 활동 (2014년-현재)
  - Nature Photonics 논문(2012년), Photonics Spectra 표지, 연합뉴스, 동아일보, 한겨례 등 소개
  - Nano Letters 논문(2015년), Phys. Org., Asian Scientist Magazine, 연합뉴스, 조선비즈 등 소개
  - ACS Photonics 논문(2017년), EENews Europe에 소개
  - Nature Communications 논문(2018년), 천지일보, 베리타스알파 등 소개



[ 서은성, IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구교수, 공동 제1저자 ] 

1. 인적사항
 ○ 소    속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단
              고려대학교 물리학과
 ○ 전    화 : 02-3290-3591
 ○ e-mail : esseo1022@gmail.com

2. 학력
 2001 - 2009  학사, 고려대학교 물리학과 학사
 2009 – 2011 석사, 고려대학교 물리학과 석사
 2011 - 2019  박사, 고려대학교 물리학과 박사 

3. 경력사항  
 2019 - 현재  IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단, 고려대학교 물리학과 연구원



[ 진영호, KU-KIST 융합대학원 연구원, 공동 제1저자 ]

1. 인적사항
 ○ 소 속 : KU-KIST 융합대학원
 ○ e-mail : skelletony@korea.ac.kr 
 
2. 학력
  2009~2016  고려대학교 응용물리학과 학사
  2016~  KU-KIST 융합대학원 석박통합과정



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