'1000조 분의 1초'…UNIST 연구팀, 나노입자 찰나 변화 포착

[이데일리 함정선 기자] ‘1000조 분의 1초’ 동안에 일어나는 찰나의 변화를 직접 관측하고 제어할 수 있는 초고해상도 이미징 기법이 성공적으로 구현됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 화학과 권오훈 교수팀이 국내 유일의 ‘4차원 초고속 투과전자현미경’을 활용해 이산화바나듐(VO2) 나노입자의 매우 빠른 ‘금속-절연체’ 상변화 과정을 펨토초(femtosecond, 10~15 초) 수준의 정확도로 실·시공간에서 직접 포착했다고 29일 밝혔다.

이산화바나듐은 섭씨 68도에서 금속-절연체 상변화 현상을 보여 광학센서와 고속 스위칭 소자 등 차세대 핵심 소재로 주목을 받고 있다. 하지만 이 상변화 과정이 펨토초라는 매우 짧은 시간 일어나기 때문에 기존 이미징 기법으로는 나노입자 수준에서 직접 관측이 불가능했다.

연구진은 이번 연구를 진행하며 투과전자현미경에 펨토 초에 이르는 시간 분해능(접근한 두 점이나 선, 변화를 분별하는 능력)을 장착한 ‘원자수준의 시공간 분해능’을 지니는 4차원 초고속 투과전자현미경을 활용했다.

권오훈 UNIST 화학과 교수

연구진에 따르면 연구에 사용한 ‘광전자 펄스(파동)’의 경우 펄스 내 전자 개수가 많으면 선명한 이미지를 얻을 수 있지만 해상도는 잃는 단점이 있다. 이 때문에 관련 연구는 그간 해상도 향상을 위해 전자현미경을 개조하는 노력에 집중돼 왔다.

그러나 연구진은 투과전자현미경에 보편적으로 활용하는 전자 에너지 손실 분광법을 이용해 시간 분해능이 기존 피코(10~12 초) 수준에서 펨토 초로 대략 열 배 향상된 시분해 이미징 기법을 최초로 실험적으로 증명했다는 설명이다. 이는 에너지가 같은 광전자는 가속 후 동일한 시공간에 존재한다는 물리 법칙을 활용한 결과다.

연구진에 따르면 이렇게 에너지 필터를 활용하면 이산화바나듐 나노입자 군집체를 구성하는 개별 나노입자들의 각기 다른 초고속 상변화 과정을 한 번에 포착할 수 있다.

특히, 연구팀은 그래핀 기판 위에서 만들어진 이산화바나듐 나노입자들은 기존과는 다른 구조를 가지기 때문에 상변화가 일어나는 중간 단계에서 ‘준안정 상태 열역학에서, 상변화가 일어날 온도를 넘었는데도 앞의 상에 머물고 있는 상태. 과열이나 과냉 상태 따위가 있다’를 거칠 수 있다는 직접적 증거도 처음으로 확인했다.

제1저자인 김예진 박사(현 캘리포니아 공과대학(Caltech) 박사 후 연구원)는 “초고속 투과전자현미경의 시간 분해능을 향상하기 위해 많은 노력이 이뤄졌다”며 “이번 연구를 통해 복잡한 장비 개조 없이도 펨토초 수준에서 일어나는 물질의 변화 과정을 나노미터 수준에서 선명하게 촬영해 낼 수 있다는 것을 증명했다”고 말했다.

권오훈 교수는 “누구나 아는 일반적인 물리학 지식을 토대로 펨토초 이미징 기법을 실험적으로 구현한 첨단 이미징 분야 최초의 연구”라며 “이산화바나듐의 초고속 상변화 현상을 처음으로 실시간 촬영함으로써 물성 제어에 대한 이해도와 소재로의 활용도를 높이는 데 기여할 수 있을 것”이라고 평가했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 진행됐으며, 연구 결과는 지난 27일 오후 2시(현지시간) 세계적인 학술지 사이언스(Science)의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 발표됐다.

이번 연구를 진행한 연구진.(왼쪽부터) 권오훈 교수, 김예진 연구원, 노학원 연구원.