[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

원자수준의 정밀도에 이르는 구조연구는 화학, 물리뿐만 아니라 복잡계인 재료 및 생물학 연구에 있어서도 출발점이 되는 매우 중요한 분야이다. 우리가 연구하고자 하는 대상이 무엇으로 구성이 되었고 어떻게 생겼는지를 알고 나서야, 기능이나 현상을 조절할 방법을 고안해 낼 수 있기 때문이다. 다양한 분야에서 x선 회절 및 중성자 회절, 혹은 핵자기공명학이나 전자현미경학 등의 실험방법론이 “평형상태”1) 구조연구에 자주 활용되어 왔다. 하지만, 물리 및 화학, 재료, 생물계 “현상”은 당연히 정적이지 않고 “동적”이다. 이를테면, 옹스트롬(10-10m) 수준의 화학 결합은 펨토초 (10-15 초)에 이르는 빠른 속도로 생성되고 끊어진다. 나노미터의 공간 영역대에서 일어나는 생체 고분자의 형태변화는 나노초에서 밀리초에 걸치는 다양한 시간 영역대에서 일어난다. 위에서 언급한 연구기법으로 구조를 측정하는 동안에도 끊임없이 수많은 단계에 걸쳐 반응이 일어나고 있고 미세하게 움직이는 또는 변해가는 모습이 시간상으로 누적되어 평균화된 정보를 얻고 있다. 따라서 물질의 기초 물성을 제대로 파악하고 이를 활용하기 위해선 나노미터 이하의 시공간 수준에 직접 도달하여 구조 동역학을 관측하고 제어를 할 수 있는 이론적 및 물리화학적 분석의 기틀을 마련하는 것이 필요하다.

2. 연구내용

나노입자의 음향진동2) 현상에 관한 이해는 물질의 물리적, 기계적 특성 파악 및 향상을 위한 기초가 되며, 나노 소자의 크기, 형태 및 결정성 제어를 위한 토대가 된다. 특히 플라스몬성 나노입자3)의 경우 전도성 전자의 집단 진동으로 인해 빛과 강하게 상호작용하므로, 매우 작은 입자 크기 (~1 nm) 및 높은 진동 주파수 (GHz-THz)까지 원거리장 (far-field) 광학기술을 사용하여 음향진동을 여기 및 검출할 수 있다. 이러한 고주파 음향진동을 실시간으로 검출하기 위해서는 검출장비의 시간 분해능은 최소한 1~2 피코초 (10-12 초), 공간 분해능은 나노미터 이하 수준이 요구된다. 이에 여기-탐침(pump-probe) 방식을 도입한 시간분해 흡광분광학적 기법을 이용하여 나노입자의 음향진동을 간접적으로 측정한 연구가 이미 진행이 된 바 있지만, 앙상블(ensemble) 상태에서 측정이 진행되므로 각기 다른 음향진동이 서로 간섭하여 나노 단입자의 음향진동의 특성을 보편적으로 구분해 내지 못한다는 단점이 있었다.

이에 본 연구에서는 초고분해능 구조 분석 장비인 투과전자 현미경4)에, 펨토초에 이르는 시간 분해능을 장착하여 원자수준의 시공간 분해능을 지니는 “초고속투과전자현미경 (ultrafast transmission electron microscope)”5)을 활용, 나노미터 이하 수준에서 일어나는 단일 금 나노입자의 플라스몬성 음향진동 (plasmonic acoustic vibration)6) 동역학을 최초로 직접 관측하는데 성공했다. 이와 더불어 전 세계에서 유일하게 전자 직접검출 카메라7)를 검출기로 채택함으로써 검출한도를 약 5-10배 정도 향상시켰다.

특히, 본 연구는 단 한 번의 시간분해 촬영으로 수십 개 나노입자의 다양한 음향진동 거동을 실·시공간 광역 측정할 수 있고, 나노미터 크기의 단일 입자 수준의 감도 (single-particle level sensitivity)에서 초고속 동역학의 시공간 구조화 (spatiotemporal mapping)가 가능함을 보여줌으로써 초고속투과전자현미경법의 강점을 극대화 하였다.

또한, 계면 상호작용에 의한 나노입자 동역학 변이로부터 이번 관찰이 거의 제로에 가까운 마찰에너지 발산 및 초윤활 (superlubricity) 연구의 관측 및 분석 방법에 기여하리라 기대되며, 이러한 새로운 물리화학적 실험 방법론은 나노입자 구조 동역학 및 나노 물질의 물성 제어 연구에 널리 활용될 수 있을 것이다.

3. 기대효과

초고속투과전자현미경의 극한 시공간 분해능을 활용한 연구는 차후 소재의 개발과 성능 향상을 위해 필수인 구조 동역학적 특성을 실시간으로, 물질의 최소단위인 원자수준에서 관찰하고 분석해내는 기술적 토대가 될 것이다. 또한 초민감형 질량 센서의 개발, 기계진동에 관여하는 양자효과 규명에 기여 할 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1.. 평형상태 (Equilibrium state)

실제로 반응이 계속 일어나고 있지만 외부적으로 정지하고 있는 것처럼 보이는 상태를 말한다. 화학반응을 예로 들면 정반응과 역반응의 속도가 같아져 반응물과 생성물의 농도가 시간에 따라 변하지 않는 경우를 말한다.

2. 음향진동 (acoustic vibration)

입자내부의 원자들의 규칙적 배열구조인 격자(lattice)가 외부의 에너지 등에 의해 진동될 때 발생하는 소리 입자의 운동이다.

3. 플라즈몬성 나노입자 (Plasmonic Nanoparticle)

플라즈몬은 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말한다. 금속 나노입자의 경우 외부 에너지를 통해 플라즈몬을 유도 할 수 있어 플라즈몬성 나노입자라 부른다.

4. 투과전자현미경 (TEM, Transmission Electron Microscope)

전자현미경은 물체를 비출 때 일반 광학현미경과 달리 빛(가시광선) 대신 전자빔을 사용하는 기구이다. 광원으로 가시광선 대신 전자빔을 이용하고, 유리 렌즈 대신 코일을 감아 만든 전자렌즈를 사용하며, 직접 눈으로 보는 대신 형광판이나 사진필름에 물체의 확대된 상을 맺게 한다. ‘투과’전자현미경의 경우 전자빔이 얇게 자른 시료를 투과하면서 상을 맺어 보여준다.

5. 초고속투과전자현미경(UEM, Utra-fast Transmission Electron Microscope)

투과전자현미경에서 ‘빛’역할을 하는 전자빔의 시간분해능을 피코초 단위로 높인 전자현미경이다. 초고속 투과전자 현미경은 높은 공간해상도를 가진 기존의 투과전자 현미경에 펨토초 수준의 시간분해능을 얻기 위해, 기존의 여기-탐침 (pump-probe) 분광학을 응용한 광펄스 여기-전자펄스 탐침 방법을 채택한다. 시료를 관측하는 역할인 전자탐침 빔은 펨토초 펄스의 레이저가 현미경의 광음극을 조사하여 생성되는 광전자로서 레이저의 펄스와 마찬가지로 펨토초 단위의 펄스형태를 띄고 현미경 내부 가속관을 통해 가속이 되고 여러 응축렌즈를 통해 집중되어 시료에 도달한다. 펨토초 단위의 펄스형태를 띈 탐침 빔은 펨토초 단위의 시간분해능을 만들어 내게 된다. 시료를 여기시키는 빔의 경우 시료 여기에 적절한 파장대의 광자 펄스로 레이저가 조화 진동자 생성기(harmonic generator)를 지나며 생성되며 경로차 생성기(optical delay stage)를 지나 시료에 도달한다.

현재 미국 미네소타 주립대학 및 미시간 주립대학, 독일 괴팅겐 대학, 스웨덴 왕립공과대학, 스위스 로잔연방공대, 중국과학원, 일본 이화학연구소 등 일부 고등연구기관에만 설치 및 활용 중이며 국내에서 유일하게 울산과학기술원에 설치되어 2017년부터 가동 중인 장비는 세계 최초로 전자 직접검출 카메라가 부착되어 최고 수준의 성능을 지닌다.

6. 플라스몬성 음향 진동 (Plasmonic acoustic vibration)

플라스몬은 금속 내 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자이다. 광펄스에 의해 금속의 표면 플라스몬 (surface plasmon)이 여기되면, 그 에너지가 전자를 통해 원자 배열인 격자 (lattice)로 전달된다. 이 때, 격자로 전달되는 에너지는 포논 (phonon)이라 불리는 유사 입자의 형태를 갖게 되는데 포논에 의해 격자가 평형을 벗어나 특정 주기를 갖고 집단적으로 움직이는 것을 음향 진동이라 한다.

7. 전자직접검출카메라 (Direct Electron Detector)

일반 CCD (charge-coupled device) 카메라의 경우 전자를 신호로 변환하는 scintillator가 있어 signal-to-ratio에 손실이 있을 수 있다. 반면 전자직접 검출 카메라 (direct electron detector)의 경우 scintillator 없이 electron 자체를 signal로 사용하기 때문에 속도(image processing speed), 시공간 분해능 (spatial resolution), 감도(detection sensitivity) 면에서 뛰어나다.

[붙임] 연구그림

그림 1. 고해상도 초고속투과전자현미경

A. 실험 모식도. 515 nm의 광여기 펄스(초록색)가 금 나노입자의 플라스몬성 음향 진동을 유도하고, 피코초 광전자 탐침 펄스(보라색)가 시간에 따른 구조 변화 정보를 갖고 검출기에 도달한다.

B. 관찰된 나노입자 음향진동 동역학은 인접한 그래핀 기판과의 계면 상호작용에 의해 국부적 불균일성을 갖는데 초고속투자과전자현미경을 이용해 국부적 불균일성을 관찰 할 수 있다. 이는 초고속투과전자현미경을 이용한 나노수준의 국부적 시공간 동시 이미징으로만 검출될 수 있는 정보이다.

그림 2. 단일 나노입자 음향진동 동역학 분석

(A) 나노입자 앙상블 (field-of-view).

(B) (C) 음향진동이 검출된 단일 나노입자의 종(L)·횡축(T)을 따라 이미지 밝기 정보 (intensity profile)를 추출하여 음향진동에 의한 나노입자의 시간에 따른 팽창/수축 변화를 분석해낸다.

(D) (E) 종횡비 1.5-1.7인 나노막대의 단축 방향 플라즈몬 여기에 의한 진동 모드 고유 진동수와 일치하는 34 GHz의 주파수 (주기 29피코초)의 음향진동을 1~2피코초의 시간분해능, 수 옹스트롬의 공간분해능으로 검출하였다.

그림 3. 금 나노막대 음향진동의 실시공간 광역 이미징 및 계면 경계 조건에 의한 음향진동 특이성을 단일 입자 수준 검출함

(A),(B) 격‘자의 진동에 의해 유도된 시간에 따른 입자 지름의 변위차를 입자 전 영역에서 검출하여, 단일 입자 수준의 감도에서 그래핀 기판과의 계면 상호작용과 음향진동으로부터 검출 가능한 격자 재배열 구조 동역학 정보를 얻어냈다. (C-G) 탐침 영역의 70여개 나노막대들 중 다른 방향으로 배열 된 다른 경계 조건의 두 나노막대의 시간 분해 변위 차 분석으로부터 동일한 단축 모드 주기를 가진 다른 동역학이 나타남을 관측하였다. 관측된 동역학 지연은 이종 접합 (heterojunction) 계면 상 격자 간 (부)정합 [(in)commensurability]에 의한 것이다.