DGIST, 초분해능 비선형 초고속 이미징 분광법 개발

대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 학연융합 연구팀(화학물리학과 이재동 교수, 바이오융합연구부 김현민 부장)이 '초분해능 비선형 초고속 이미징 분광법' 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 학사부와 연구부의 공동 연구로 이뤄낸 우수 성과여서 눈길을 끈다.

초분해능 비선형 초고속 이미징 분광법을 개발한 학연융합 연구팀. 왼쪽부터 이재동 DGIST 화학물리학과 교수, 이관진 석박사통합과정생, 바이오융합연구부 김현민 부장

기존의 광학현미경은 물리적 회절한계를 지니고 있다. 입사파를 이용하는 광원이 장착된 광학현미경은 그 파장의 절반에 해당하는 물체 크기와 물체 간 거리를 구분하지 못한다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 입사파를 대신해 형광체를 활용하는 연구가 이루어졌으나, 형광체 사용으로 나타나는 광독소, 생체간섭 등 현상이 문제점으로 지적됐다.

연구팀은 광학현미경의 분해능을 초점 제어 방식을 이용, 회절한계 미만으로 줄이기 위한 연구를 수행했다. 이 과정에서 반스톡스 라만 현미경의 분해능 증가를 위해 초점 크기를 작게 만들어서 제어하는 기법을 지속적으로 연구해온 김현민 바이오융합연구부장의 연구 지도 도움이 컸다. 특히 과거 미국표준연구소에서 기존의 초점제어 방식에서 나타나는 문제점을 공초점 방식으로 해결한 연구가 이번 기술 개발에 중요한 역할을 했다.

김현민 부장은 '반스톡스 라만 현미경의 분해능 초점 제어 방식'을 이용한 연구를 수행하면서, 인도과학원(IISC)의 바룬 라군아단 교수와 협업 연구했다. 이들은 합주파수 생성과 같은 서로 다른 비선형 광학 현상 응용 기술과 작은 핀홀을 활용, 초점제어 방식의 문제인 초점 번짐 제거 기술로 평면상의 분해능이 100㎚(나노미터) 미만으로 이뤄질 수 있음을 확인했다. 연구 결과는 국제학술지인 'Optics and Lasers in Engineering'에 게재했다.

학연융합 연구팀은 김현민 부장의 연구 성과를 토대로 추가 연구를 수행했고, 그 결과 샘플의 단면 이미징에도 적용할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 이를 육각형 붕화질소(hBN) 나노시트에 적용하면 그 단면 방향의 분해능도 2배 가까이 줄일 수 있는데, 이를 통해 기존에는 불가능했던 전자 및 분자 진동의 동력학이 계면 자체와 계면 사이에서 펨토초 단위로 회절한계 이하 분석이 가능하다. 이는 해당 분야에서 세계 최초로 제안된 기술로 양자 수준의 저차원 물질 개발 및 분석에 한 획을 그은 업적이라고 할 수 있다.

이재동 교수는 “육각형 붕화질소 나노시트를 활용해 극한 환경 속에서 아주 얇은 소자의 초고속 전자 분석이 가능한 기술을 개발한 것은 큰 의미가 있다”며, “해당 성과는 학사부와 연구부가 공존하는 DGIST의 학연 상생 프로그램(UGRP, URP, 대학원 인턴 프로그램 등)이 체계적으로 구축되었기에 가능했다”고 밝혔다.

한국연구재단 중견과제를 통해 수행된 이번 연구에는 화학물리학과 이관진 석박사통합과정생(기초학부 2기 졸업)이 주저자로 참여했다. 연구 논문은 세계적인 광학 분야 국제학술지인 'PhotoniX'에 게재됐다.

대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com