한국표준과학연구원(KRISS, 원장 직무대행 조성재)이 나노물질이 빛과 반응할 때 발생하는 신비한 힘의 원리를 세계 최초로 규명했다.

KRISS 나노구조측정센터 이은성 책임연구원팀은 반도체 등 다양한 나노물질이 빛과 상호작용하면서 발생하는 광유도력(photo-induced force)의 물리학적 원리를 밝혀냈다.

발생원리의 불확실성으로 혼란이 있던 광유도력의 응용방향이 명확해짐에 따라, 나노소자의 내부를 파괴 없이 탐침으로 두드려가며 측정하는 광유도력 현미경의 활용이 가속화될 것으로 전망된다.

미세한 물질의 형상이나 특성을 관찰하는 가장 대표적인 장비는 광학현미경으로 물질에 빛을 쪼이면 발생하는 반사광 또는 투과광을 렌즈로 집속하고 확대시키는 것이 광학현미경의 측정원리다.

하지만 물질의 크기가 나노미터급으로 빛의 파장보다 훨씬 작아지면, 렌즈를 사용하는 광학현미경으로는 회절한계 때문에 제대로 관찰할 수 없다.

최근 기존의 문제점을 극복하기 위한 대안으로 세계의 연구진들이 광유도력 현미경(PiFM; Photo-induced Force Microscope)에 주목하고 있다.

광유도력 현미경은 렌즈 대신 미세 탐침으로 빛을 집속한다. 레이저를 탐침에 쬐면 근접장이라는 나노미터 크기의 집속광이 생기는데, 근접장은 관찰하려는 물질과 상호작용하여 탐침에 미세하게 당기거나 미는 힘을 발생시킨다. 이 힘이 바로 광유도력이다.

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

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

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 증폭되어 이미지 선명도를 훨씬 높여줄 수 있다는 사실도 밝혀냈다.

광유도력의 근원이 명확해지고 학계 논란이 일단락됨에 따라 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

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 해결되어 현미경의 응용연구가 활발해질 것으로 기대된다”라고 말했다.

KRISS 주요사업과 한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구결과는 미국 국립과학원회보 (PNAS, Proceedings of National Academy of Sciences, IF 9.661)에 게재되었다.