육안으로는 하나로 보였던 별을 망원경으로 관찰하면 여러 개의 별이 뭉친 성단의 모습이 드러난다. 우리 눈보다 해상력이 우수한 망원경 덕분이다. 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단은 기존 현미경의 해상력을 높여, 눈에 보이지 않던 미세한 정보까지 관찰하는데 성공했다. 이로써 숨겨진 별의 모습을 찾는 것처럼, 나노 구조의 숨겨진 정보를 찾아낼 수 있게 됐다.

근접장 주사광학현미경(NSOM·Near-field Scanning Optical Microscopy)은 작은 구멍이 뚫린 탐침을 시료 표면 20nm 정도의 근거리까지 접근시킨 뒤 시료를 훑는다. 이 과정에서 탐침과 표면의 상호작용을 통해 시료의 높이정보를 파악하는 동시에 작은 구멍을 통과한 광신호를 이미징하는 기술이다. 근접장 주사광학현미경은 나노 세계를 관찰하는 유용한 도구지만, 한계가 있다. 탐침의 구멍(약 150nm)보다 작은 미세 구조는 구분하기 어렵다는 점이다.

▲ 근접장 주사광학현미경은 탐침(probe)을 시료 표면 가까이로 가져가 훑으며 시료 표면의 높이 정보와 광신호를 이미징하는 기술이다. 기존에는 탐침의 구멍보다 작은 미세구조를 관찰하기 어렵다는 한계가 있었다.

연구진은 여러 각도에서 입사되는 빛을 이용해 근접장 주사광학현미경의 해상력을 높여 이 한계를 극복했다. 우선 표본으로 이중 슬릿 나노 구조를 준비하고, 표본에 100개에 달하는 각도에서 빛을 입사시키며 근접장을 기록했다. 이 과정에서 기존 기술로는 발견할 수 없었던 ‘반대칭모드’를 시각화할 수 있었다. 반대칭모드는 표본에 이중 슬릿, 즉 2개의 직사각형이 있음을 구분할 수 있는 미세한 정보를 담고 있다.

제1저자인 서은성 IBS 연구교수는 “기존 근접장 주사광학현미경은 이 표본을 하나의 점으로 이미징하지만, 개발한 현미경은 이중 슬릿을 구분할 수 있다”며 “탐침 구멍의 3분의 1밖에 되지 않는 작은 정보를 구분할 수 있을 정도로 해상력을 개선한 것”이라고 설명했다.

▲ 기존 근접장 주사광학현미경은 상대적으로 세기가 센 대칭모드(왼쪽)만 관찰할 수 있었지만, 개발된 현미경은 숨겨진 반대칭모드까지 인식할 수 있다. 반대칭모드는 슬릿에 위상이 반대로 걸린 모드로 슬릿이 두 개임을 정확히 식별할 수 있는 정보를 가지고 있다.

일반적으로 수 나노미터 수준의 미세 관찰에는 전자현미경이 도구로 사용된다. 진공 상태에서만 시료를 미세 관찰할 수 있는 전자현미경과 달리 근접장 주사광학현미경은 일반 대기상태에서도 시료를 관찰할 수 있다. 연구진이 개발한 기술이 기존 전자현미경과 상호보완적으로 나노 세계를 관찰하는 시야를 넓혀갈 수 있을 것으로 기대되는 이유다.

최원식 IBS 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) 5월 22일자에 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬