시료 훼손 없는 엑스선 현미경, 해상도 한계도 넘는다

KAIST, 엑스선 현미경 해상도 높이는 기술 개발

엑스선 현미경 해상도의 한계를 극복, 전자현미경 수준으로 높일 수 있는 길이 열렸다. 반도체나 배터리 내부 구조를 시료 훼손 없이 나노 수준에서 정밀하게 관찰하는데 기여할 전망이다. 

KAIST(총장 이광형)는 물리학과 박용근 교수 연구팀이 포항가속기연구소 임준 박사 연구팀과 함께 기존 엑스선 현미경의 해상도 한계를 극복할 원천 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

제안한 무작위 렌즈 기반 영상기법으로 측정된 엑스선 나노 현미경 영상(아래)과 해당 위치의 표면전자현미경 영상(위). (자료=KAIST)

엑스선은 투과성이 좋아 시료를 훼손하지 않고 내부를 관찰할 수 있다. 하지만 투과성이 너무 좋아 일반적인 렌즈나 거울도 쓰기 곤란하다는 문제가 있다. 그래서 굴절 렌즈 대신 동심원 회절판이라는 둥근 모양의 격자를 사용한다. 회절판 격자 구조에 따라 영상 품질이 결정되는데, 나노 구조를 만들기 까다롭고 만들어도 쉽게 무너져 해상도를 높이기 어려웠다. 

연구팀은 얇은 텅스텐 필름에 수많은 구멍을 뚫어 입사되는 엑스선을 회절시켜 무작위적인 회절 패턴을 생성하게 했다. 이런 무작위적 패턴의 수학적 성질을 활용해 입사 영상을 재구성한다는 아이디어다. 연구팀은 무작위 패턴 속에 시료의 고해상도 정보가 온전히 들어있음을 수학적으로 규명하고, 실제 시료 정보를 추출해 영상화했다. 

300㎚ 지름의 원형 패턴으로 제작한 무작위 렌즈로 14㎚ 해상도의 영상을 얻었다. 구성된 시료의 영상 해상도는 사용한 무작위 렌즈에 식각된 패턴의 크기와 직접적 상관이 없었다. 

기존 엑스선 현미경(위)와 제안된 엑스선 현미경(아래) 모식도 (자료=KAIST)

연구진은 2016년 무작위 회절의 수학적 성질을 활용한 영상 기법을 제안, 가시광 대역에서 구현했고 이번에 엑스선 분야에 적용했다.  

제1저자이자 공동교신저자인 KAIST 물리학과 이겨레 박사는 "이번 연구에선 14㎚ 해상도에 그쳤지만, 차세대 엑스선 광원과 고성능 엑스선 검출기를 활용한다면, 전자현미경 해상도 수준인 1㎚ 부근까지 근접할 수 있을 것"이라며 "전자현미경과 달리 엑스선은 시료를 훼손하지 않으면서 내부 구조를 관찰할 수 있으므로, 반도체 검수와 같은 비침습적 나노구조 관찰에 새로운 표준을 제시할 수 있을 것"이라고 말했다.

이 연구는 한국연구재단 리더연구사업과 세종과학펠로우십의 지원을 받았으며, 학술지 '라이트: 사이언스 앤 어플리케이션(Light: Science and application)'에 실렸다.