원자 단위 소리 움직임 광학 현미경으로 본다

DGIST 연구팀, 기술 공동 개발

순간 2차 고조파 이미징 시스템을 개발한 DGIST 동반진단의료기술융합연구실 김현민 선임연구원. DGIST 제공

대구경북과학기술원(DGIST'총장 손상혁) 연구팀이 원자 단위로 층을 이루는 물질의 소리 움직임을 300나노미터(㎚)의 고해상도로 표현할 수 있는 기술을 개발해 눈길을 끈다. 앞으로 신소재, 태양전지, 촉매 개발 등 분야에서 크게 활용될 전망이다.

DGIST는 지난달 28일 동반진단의료기술융합연구실 김현민 선임연구원 연구팀이 연세대 안종현 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 대표적 원자적층 구조 2차원 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)의 극초속 움직임을 300나노미터의 해상도로 분석할 수 있는 '순간 2차 고조파 이미징 시스템'을 개발했다고 밝혔다.

연구팀이 개발한 이 기술을 이용하면 결정 상태 물질의 대칭이 깨어질 때 생기는 파장이 다른 파장에 의해 이동된 전자와 격자 간 반응으로 발생하는 약 1천11㎐(1㎐는 1초에 1번 진동) 단위의 소리를 측정할 수 있다.

지금까지는 원자 단위 2차원 구조체에서 10~15초 단위의 전자 움직임이나 관련된 소리 발생을 측정하려면 '펌프-프로브 방식'의 펄스파를 소재에 쏴 흡수나 반사의 변화를 측정, 분석했다.

이러한 방법에 사용되는 레이저는 에너지가 높아 샘플 손상, 박리 현상을 일으킬 수 있었고, 샘플 크기가 작으면 분석에 어려움을 겪어 이를 보완하는 연구가 최근 10여 년 동안 국내외에서 진행됐다.

연구팀은 샘플 손상을 줄이는 동시에 레이저 초점 사이즈를 줄이도록 기존의 순간흡수방식 분광기에서 사용되던 레이저 출력을 수천 배에서 수만 배 정도로 줄이고, 실시간으로 시각화하기 위해 고성능 스캐닝 시스템을 적용했다.