데일리연합(월간, 한국뉴스신문) 김재욱 기자 | DGIS 학연융합 연구팀(화학물리학과 이재동 교수, 바이오융합연구부 김현민 부장)이 '초분해능 비선형 초고속 이미징 분광법' 기술을 개발했다. 학사부와 연구부의 공동 연구로 나타난 우수한 결실로, 연구 결과는 광학 분야 상위 4.5%의 국제학술지인 ‘PhotoniX’에 게재됐다.

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

이에 DGIST 학연융합 연구팀은 광학현미경의 분해능을 초점 제어 방식을 이용하여 회절한계 미만으로 줄이기 위한 연구를 수행했다. 특히, 바이오융합연구부 김현민 부장이 반스톡스 라만 현미경의 분해능 증가를 위해 초점 크기를 작게 만들어서 제어하는 기법을 지속적으로 연구하였기에 관련 연구 지도가 가능했다. 또한, 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, IISC(인도과학원)의 Varun Ragunathan 교수와 협업 연구를 통해 합주파수 생성과 같은 서로 다른 비선형 광학 현상 응용 기술과 작은 핀홀을 활용하여 초점제어 방식의 문제인 초점 번짐 제거 기술로 평면상의 분해능이 100nm 미만으로 이뤄질 수 있음을 확인했고, 연구 결과를 국제학술지인 'Optics and Lasers in Engineering'에 게재했었다.

학연융합 연구팀은 김현민 부장의 연구 성과를 토대로 추가 연구를 수행했고, 그 결과 샘플의 단면 이미징에도 적용할 수 있는 새로운 기술을 개발하게 됐다. 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.

화학물리학과 이재동 교수는 "이번 연구로 육각형 붕화질소 나노시트를 활용하여 극한 환경 속에서 아주 얇은 소자의 초고속 전자 분석이 가능한 기술을 개발한 것은 매우 큰 의미가 있다"며, "해당 성과는 학사부와 연구부가 공존하는 DGIST의 학연 상생 프로그램(UGRP, URP, 대학원 인턴 프로그램 등)이 체계적으로 구축되었기에 나타난 성과로, 앞으로도 학연융합연구 수행을 통해 좋은 성과가 나타나길 기대한다"고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견과제를 통해 수행됐으며, 화학물리학과 이관진 석박사통합과정생(기초학부 2기 졸업)이 주저자로 참여한 연구 논문은 세계적인 광학 분야 국제학술지인 PhotoniX(IF : 16.5, 상위 4.5%)에 게재됐다.