엑스선 나노 현미경은 굴절 렌즈가 없어 렌즈 대용으로 동심원 회절판이라 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.
박 교수연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 새로운 엑스선 나노 현미경 기술을 개발했다. 연구팀이 제안한 엑스선 렌즈는 얇은 텅스텐 필름에 수많은 구멍을 뚫은 형태로, 입사되는 엑스선을 회절시켜 무작위적인 회절 패턴을 생성한다. 연구팀은 이러한 무작위적 회절 패턴 속에 시료의 고해상도 정보가 온전히 들어있음을 수학적으로 규명하고 실제 그 시료 정보를 추출해 영상화하는데 성공했다.
연구팀은 300나노미터(nm) 지름의 원형 패턴으로 제작한 무작위 렌즈를 활용해 14나노미터(nm) 해상도(대략 코로나 바이러스의 7분의 1 크기)의 영상을 취득하는 데 성공했다.
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기존 엑스선 현미경(위)와 제안된 엑스선 현미경(아래) 모식도. |
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 KAIST 물리학과 이겨레 박사는 “이번 연구에서는 14나노미터(nm) 해상도에 그쳤지만, 차세대 엑스선 광원과 고성능 엑스선 검출기를 활용한다면, 기존 엑스선 나노 영상의 해상도를 넘어서 전자현미경의 해상도 수준인 1나노미터 부근까지 근접할 수 있을 것”이라며“전자현미경과는 달리 엑스선은 시료를 훼손하지 않으면서 내부 구조를 관찰할 수 있으므로, 반도체 검수와 같은 비침습적 나노구조 관찰에 새로운 표준을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 물리학과 이겨레 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 광학과 광자학의 세계적인 학술지인 `라이트: 사이언스 앤 어플리케이션 ' 4월 7일자에 출판됐다.
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