[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

1.1 나노 기술의 핵심 상호작용인 분산 상호작용 연구

분산 상호작용(dispersive interaction)은 분극성(polarizable) 물체들 사이에서 언제나 존재하고 있는 장거리 끌림(long range attractive) 상호작용이다. 최근 나노 기술이 발달하면서 각종 장치를 나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 수준으로 작게 만들 수 있게 됨에 따라 분산 상호작용에 따른 문제가 대두되고 있다. 쉽게 말해 분산 상호작용은 장치 크기가 클 때는 영향이 미미한데 나노 세계에서는 영향력이 커진다. 가령 원자나 분자의 운동을 조절할 때 이용되는 다양한 나노 구조와 입자 사이에 벌어지는 분산 상호작용이 예측하기 힘든 문제를 일으킬 수 있다. 이 경우 정밀한 운동 조절이 어려워진다. 이에 따라 다양한 나노 구조에서 분산 상호작용이 어떻게 일어나는지 연구할 필요성이 커졌다. 하지만 일반적인 분산 상호작용은 그 세기가 매우 약하기 때문에 측정 자체도 쉽지 않다.

최근 분산 상호작용을 측정하기 위해 ‘헬륨 원자 산란법’을 이용한 연구가 진행된 바 있다. 헬륨 원자 산란법은 수 밀리전자볼트(meV) 수준의 에너지를 갖는 헬륨 원자 빔을 표본에 수직으로 조사(照射, irradiation)해 표면을 분석하는 방법이다. 이 방법을 이용하면 원자와 표면 사이의 상호작용 에너지에 관한 정보를 얻을 수 있다. 이를 이용해 나노 구조 표면의 높이차에서 생기는 간섭 효과를 활용해 분산 상호작용을 측정하려는 것이다. 하지만 헬륨 원자 빔이 갖는 에너지는 헬륨 원자와 표면 사이의 반발(repulsive) 상호작용 에너지 영역에 포함되므로 분산 상호작용에 대한 정보는 거의 제공하지 못한다. 또 헬륨 원자 산란법을 활용하려면 원자 수준에서 평평한 표면이 준비돼야 해 복잡한 표면 처리 과정이 필요하다.

1.2 스침 입사 조건을 적용한 분산 상호작용 연구

본 연구팀은 헬륨 원자 산란법에 ‘스침 입사(grazing incidence) 조건’을 적용해 분산 상호작용 측정이 가능한 ‘스침 입사 물질파 광학’을 확립했다. 스침 입사 조건은 엑스선(X-ray) 회절을 통해 표본의 내부 구조가 아닌 표면을 분석하기 위해서 이용하는 방법이다. 스침 입사 X선 회절법에서는 X선을 관찰하고자 하는 대상의 표면에 스치듯 거의 평행하게 입사시킴으로써 X선의 수직 방향 에너지를 낮춰 X선의 투과 깊이를 제한한다.

스침 입사 조건에서 헬륨 입사 빔의 수직 방향 에너지는 수십 나노전자볼트(neV)까지 줄어든다. 이렇게 작은 에너지를 갖는 헬륨은 분산 상호작용에 의해서 정해지는 끌림 영역에서 반사된다. 고전역학으로는 설명할 수 없는 이러한 현상을 ‘양자반사’라고 한다. 이 현상을 이용하면 매우 작은 분산 상호작용 에너지를 측정할 수 있다. 즉, 스침 입사 물질파 광학 실험을 통해 양자 반사율의 변화를 측정함으로써 분산 상호작용 에너지를 측정하는 것이다. 이때 양자반사는 표면에서 수십 나노미터(㎚) 떨어진 지점에서 일어난다. 이 덕분에 헬륨이 표면과 충돌하며 반사되는 일반적인 헬륨 원자 산란법과는 달리 표면 거칠기에 크게 영향을 받지 않는다. 따라서, 복잡한 표면 처리 과정 없이 다양한 표면을 연구할 수 있다. 결론적으로 스침 입사 물질파 광학 실험은 표면 거칠기와 구조에 제한 없이 실험할 수 있어 다양한 구조를 갖는 표면에 대한 분산 상호작용 연구가 가능하다.

1.3 고분해능 헬륨 현미경 개발의 기반이 될 수 있는 연구

헬륨 현미경은 수 밀리전자볼트(meV)의 작은 에너지를 갖는 헬륨 원자를 탐침으로 사용해 표면을 관찰하고 이미지를 얻는 ‘물질파 현미경’이다. 헬륨 원자 빔은 비파괴․비투과적이며, 화학적으로 안정하고, 전기장과 자기장의 영향을 거의 받지 않는다. 이뿐 아니라 드 브로이 파장이 짧아 현미경의 분해능을 1나노미터(㎚) 이하로 향상시킬 수 있다. 즉, 헬륨 현미경을 이용하면 절연성 유리 표면, 섬세한 생물학적 표본, 깨지기 쉬운 물질, 표면에 약하게 결합돼 있는 분자 등 기존 주사터널현미경이나 전자현미경으로는 얻기 힘든 표본들의 이미지를 얻을 수 있다. 지난 20년간 헬륨 현미경 개발 연구가 진행됐으며, 바늘구멍을 관찰 대상 위로 훑어내리는 방식과 존 플레이트(zone plate)*로 초점을 맞춘 원자 빔으로 훑는 방식의 헬륨 현미경이 개발됐다. 하지만 두 방식 모두 회절한계(200㎚)에 훨씬 미치지 못하는 0.5마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만 분의 1m)까지 해상도만 보여줬다.

^*존 플레이트(zone plate): 빛을 포함한 파동의 초점을 맞추는 데 사용하는 장치. 렌즈나 구면거울이 굴절이나 반사를 이용하는 것과는 달리 회절을 이용한다. 오귀스탱 장 프레넬의 연구에 기초하고 있어 그의 이름을 따 프레넬 존 플레이트라고 부르기도 한다.

분산 상호작용에 대한 이해는 차세대 헬륨 현미경을 설계하고 제작하는 기반이 될 수 있다. 분산 상호작용을 조절해 만든 집광 소자로는 10나노미터(㎚) 이하의 분해능을 구현할 수 있을 것으로 기대된다. 고분해능 헬륨 현미경이 개발되면 기존에 재료과학 분야에서 이용되고 있는 표면 분석 방법을 보완할 수 있다. 특히, 시료의 가장 바깥 표면이나 단일층 재료 같은 2차원 물질, 폭발성 재료를 선택적으로 손상 없이 분석하는 데 이용될 수 있다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 헬륨(He)이나 중수소(D₂)로 이뤄진 물질파를 선폭이 아주 좁은 사각파형 회절판(square-wave grating)에 스침 입사시켰다. 이로써 주기를 갖는 반평면 집합체에서 일어나는 물질파의 회절 현상을 실험으로 확인했다. 이는 주기를 갖는 구조에서 나타나는 새로운 반사 또는 회절 메커니즘을 제안하는 것이며, 다양한 구조를 이용한 물질파 광학 연구를 확장할 수 있는 새로운 발견이다.

2.1 단일 파라미터*로 표현 가능한 주기를 갖는 구조에서 나타나는 새로운 반사 또는 회절 메커니즘을 제안

^*파라미터(parameter): 매개변수(媒介變數), 모수(母數)와 같은 개념으로, 수학과 통계학에서 어떠한 시스템이나 함수의 특정한 성질을 나타내는 변수. 정해진 변역(변수가 변할 수 있는 값의 범위)에서 함수의 수치를 구하거나 시스템의 반응을 결정할 때, 독립변수는 변하지만 파라미터는 일정하다. 다른 파라미터를 사용해 함수의 다른 수치를 구하거나 시스템의 다른 반응을 볼 수도 있다.

주기성 반평면 집합체란 반평면들이 일정한 주기를 가지며 배열된 체계(system)를 의미한다. (그림1 참고) 이런 시스템에서 일어나는 반사 또는 회절 같은 파동 광학 현상은 이미 수치적 방법(numerical method)으로 정리돼 있고, 특정 조건을 적용했을 때 근사적 해도 구해져 있다. 이는 반평면 집합체의 주기와 파동의 파장, 그리고 파동이 입사하는 입사각과 관련된 단일 파라미터 u에 대한 함수로 나타내진다.

주기를 갖는 반평면 집합체에서 일어나는 파동 광학 현상은 다양한 과학기술 분야에서 연구돼왔다. 이에 대한 단일 파라미터 이론모델은 고전광학, 원자광학, 통계역학뿐 아니라 극초단파(0.1~1m) 통신에서 일어나는 현상을 모두 포괄해 설명할 수 있다. 예를 들어, ‘아파트 단지 같이 일정한 간격으로 세워져 있는 도시의 건물들 때문에 극초단파 신호가 줄어드는 현상’과 ‘파장이 100피코미터(pm, 1pm은 1조 분의 1m)인 물질파가 선폭이 좁은 사각파형 회절판에 스침 입사할 때 일어나는 회절 현상’을 이 모델로 설명할 수 있다. 각각의 입사조건에 따라 같은 u값을 갖게 되면, 10미터(m) 간격으로 세워져 있는 아파트 단지에 입사하는 극초단파(0.5m라고 하자)와 400마이크로미터(㎛) 주기를 갖는 반평면 집합체에 입사하는 136피코미터(pm) 파장의 물질파의 회절 현상은 동일하게 나타난다. 즉, 반평면 집합체로 근사할 수 있는 서로 완전히 다른 영역의 시스템들을 단일 파라미터 u로 기술되는 이론 모델로 간단하게 설명할 수 있다. 본 연구팀은 반평면 집합체로 근사 가능한 사각파형 회절판에서 나타나는 물질파의 광학 현상을 실험으로 연구해 이 단일 파라미터 이론 모델을 검증했다.

2.2 사각파형 회절판을 이용한 실험

주기를 갖는 반평면 집합체는 10마이크로미터(㎛)의 선폭과 400마이크로미터(㎛)의 주기를 갖는 사각파형 회절판으로 구현됐다. 수 밀리라디안(mrad, 1도는 약 17 mrad)*의 스침 입사각 사용해 눈으로도 구별 가능한 회절 주기로부터 그보다 300만 배 작은 파장을 갖는 물질파의 회절을 관측할 수 있었다.

^*밀리라디안(milliradian, mrad): 주로 군사 관련으로 사용되는 각도(평면각)의 단위로 1밀리라디안은 1000분의 1 라디안이다.

또 주기는 400마이크로미터(㎛)로 일정하지만, 선폭과 주기의 비율이 다른 사각파형 회절판들을 이용한 실험도 진행했다. 선폭이 감소함에 따라 물질파 광학의 반사 메커니즘이 ‘양자반자’에서 ‘주기성 반평면 집합체에 의한 회절 반사’로 변하는 결과를 얻었다. 선폭이 200마이크로미터(㎛)로 넓을 때는 물질파가 선폭 위에서 일어나는 양자반사에 의해 반사 회절된 반면, 선폭이 10마이크로미터(㎛)로 줄어들었을 때는 회절판에 의한 회절 효율이 반평면 집합체 반사 회절 이론모델을 따라 변했다.

3. 기대효과

간단하고 정확하게 분산 상호작용을 측정하는 방법이 정립되면, 표면의 화학성분과 물리적 구조에 따른 분산 상호작용의 변화를 연구할 수 있게 된다. 이는 다양한 나노 구조를 이용한 연구의 정확성에 기여할 수 있다.

또 다양한 반사 원리에 바탕을 둔 물질파 광학소자들을 개발함으로써 새로운 물질파 간섭계와 물질파 현미경 등의 개발에도 도움을 줄 수 있다. 예를 들어 최근 활발히 연구 중인 헬륨 현미경 연구에서는 헬륨 원자 빔을 조절하는 데 적합한 광학소자를 찾는 데 어려움을 겪고 있다. 이번 연구를 통해 양자반사와 주기성 반평면 집합체 두 반사 원리를 적절히 이용해 반사율을 최대로 키울 수 있는 광학소자를 제안할 수 있다.

특히 주기를 갖는 반평면 집합체를 활용한 방법은 헬륨 이합체 같이 깨지기 쉬운 분자와 표면 사이의 분산 상호작용을 측정할 유일한 방법이 될 것이다. 특히 크기가 5나노미터(㎚) 정도인 헬륨 이합체와 표면 사이의 상호작용은 삼체(three-body) 상호작용*을 이해하는 데 중요한 역할을 할 것이다.

^*삼체 상호작용: 세 물체 간의 중력이 어떻게 작용하고, 이 결과로 어떠한 궤도 움직임을 보이는지 다루는 문제.

[붙임] 용어설명

1. 물질파(matter-wave)

빛이 파동(wave)과 입자(particle)의 성질을 모두 가진 것처럼, 물질도 입자이지만 파동의 성질을 가지며 이를 ‘물질파(matter-wave)’라 부른다. 1927년 드 브로이(Louis Victor Pierre Raymond de Broglie)는 파동만 가지는 성질인 간섭현상이 물질인 전자에서도 나타나는 수식을 증명해 물질파를 입증했다. 간섭현상은 두 가지 이상의 파장이 더해져 새 파장을 나타내는 것인데, 드 브로이의 증명 이후 전자빔(electron beam)으로 이 현상이 과찰됐다. 전자들이 빠른 속도로 나아가면서 만들어낸 빔이 진행 중에 만난 물질의 영향(간섭)으로 조금씩 퍼졌던 것(산란). 간섭이 나타날 때 진폭이 조금씩 달라지면서 나타나는 회절 무늬가 이 현상의 증거가 됐다. 모든 물질은 물질파의 성질을 가지지만, 질량이 크거나 빠르게 움직이는 물질은 그 성질을 잘 드러내지 않는다. 물질파는 운동량, 즉 질량과 속도의 곱에 반비례하는데 질량이 커지거나 속도가 빨라져 운동량이 커지면 물질파 성질이 줄어드는 것이다.

2. 분산 상호작용(dispersive interaction)

물질 속 전자기적 요동(electromagnetic fluctuation)과 이들의 상호작용에 의한 힘. 일반적으로 두 물질의 전자기적 요동이 유도 쌍극자를 생성해 서로 끌어당기는 힘(attractive force)를 만들어낸다.

3. 양자반사

양자역학적인 현상으로, 보통의 반사와는 다르게 표면에 충돌하기도 전에 반사가 일어난다. 표면으로 수십 나노미터 떨어진 지점에서 반사가 일어난다고 알려져 있으며 표면과 직접 닿지 않기 때문에 표면의 거칠기에 큰 영향을 받지 않는다.

4. 사각파형 회절판

회절판(grating)은 주기(d)를 가지는 구조가 있는 판을 의미한다. 사각파형 회절판은 주기를 가지는 구조가 사각형임을 뜻하는데, 구조의 주기(d)와 사각구조의 선폭(a)으로 회절판을 나타낸다.

5. 주기성 반평면 집합체

반평면(hanf plane)은 무한대로 펼쳐진 평면을 한 직선으로 잘라 둘로 나눈 다음, 잘려진 각 부분을 일컫는 말이다. 주기성 반평면 집합체란 반평면들이 일정한 주기를 가지며 배열된 시스템을 의미한다. 이 시스템에서 일어나는 반사 또는 회절 같은 파동 현상은 이미 이 현상을 구하는 수치적 방법(numerical method)이나 근사해가 정리돼 있다. 반평면 집합체의 주기와 파동의 파장, 그리고 입사각과 관련된 단일 파라미터 u에 대한 함수로 나타낸다.

[붙임] 그림 설명