카이스트, 엑스선 현미경 해상도 한계 극복

카이스트-포항가속기연구소
"반도체-배터리 내부 1nm 수준 관찰 가능"
비파괴 내부 오류 검수 등 혁신 실마리

국내 연구진에 반도체, 배터리의 내부 구조를 정밀하게 들여다볼 수 있는 엑스선 현미경을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST·카이스트)은 박용근 물리학과 교수 연구팀이 임준 포항가속기연구소 박사 연구팀과 공동연구를 통해 기존 엑스선 현미경의 해상도 한계를 극복할 수 있는 원천 기술 개발에 성공했다고 12일 밝혔다.

엑스선 현미경은 대부분 물질을 투과하는 장점이 있어 흉부 엑스선이나 CT 촬영을 통해 신체 내부 장기와 골격을 비침습적으로 관찰할 수 있다. 최근에는 반도체, 배터리의 내부 구조를 나노스케일에서 정밀하게 관찰하기 위해 엑스선 영상기술의 해상도를 높이려는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.

엑스선 나노 현미경은 굴절 렌즈가 없어 렌즈 대용으로 동심원 회절판(zone plate)이라 불리는 원형 모양의 격자를 사용한다. 동심원 회절판을 사용하여 얻어지는 영상의 해상도는 회절판 나노구조의 제작 품질에 의해 결정된다. 이러한 나노구조를 제작하고 유지하는 것은 여러 가지 어려움이 있으며, 이러한 한계가 엑스선 현미경의 해상도 한계를 결정했다.

연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 새로운 엑스선 나노 현미경 기술을 개발했다. 연구팀이 제안한 엑스선 렌즈는 얇은 텅스텐 필름에 수많은 구멍을 뚫은 형태다. 입사되는 엑스선을 회절시켜 무작위적인 회절 패턴을 생성한다. 연구팀은 역설적이게도 이러한 무작위적 회절 패턴 속에 시료의 고해상도 정보가 온전히 들어있음을 수학적으로 규명했고 실제 그 시료 정보를 추출하여 영상화 하는데 성공했다.

이러한 무작위 회절의 수학적 성질을 활용한 영상기법은 2016년 이겨레 박사와 박용근 교수가 세계 최초로 제안하고 가시광 대역에서 구현한 기술로 당시 네이처 커뮤니케이션즈지에 게재됐었다. 이번 연구는 해당 선행연구 결과를 엑스선 영역의 난제를 푸는 데 활용한 것이다.

구성된 시료의 영상의 해상도는 사용한 무작위 렌즈에 식각된 패턴의 크기와 직접적인 상관이 없다. 이러한 아이디어를 바탕으로 연구팀은 300 나노미터(nm) 지름의 원형 패턴으로 제작한 무작위 렌즈를 활용해 14nm 해상도(대략 코로나 바이러스의 7분의 1 크기)의 영상을 취득하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 영상기술은 기존 동심원 회절판 제작상의 문제에 가로막혀 있던 엑스선 나노 현미경 해상도를 그 이상으로 끌어 올릴 수 있는 핵심 기반 기술이다.

제1 저자이자 공동교신저자인 이겨레 카이스트 물리학과 박사는 “차세대 엑스선 광원과 고성능 엑스선 검출기를 활용한다면 기존 엑스선 나노 영상의 해상도를 넘어서 전자현미경의 해상도 수준인 1nm 부근까지 근접할 수 있을 것이라 예상한다”며 “전자현미경과는 달리 엑스선은 시료를 훼손하지 않으면서 내부구조를 관찰할 수 있으므로 반도체 검수와 같은 비침습적 나노구조 관찰에 새로운 표준을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 광학 및 광자학의 국제 학술지 '라이트: 사이언스 앤 어플리케이션 (Light: Science and Application)에 지난 7일 게재됐다. (논문명: Direct high-resolution X-ray imaging exploiting pseudorandomness).

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr