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심우영 교수팀, 대면적 측정 가능한 다중 탐침 주사 탐침 현미경 개발

간단한 탐침 구조로 측정 면적 및 속도 향상 기여

국제 학술지 ‘Nature Communications’ 게재

[사진. 심우영 교수(왼쪽), 김광묵 제1저자]

하나의 뾰족한 바늘인 탐침을 이용해 3차원 이미지를 얻을 수 있는 ‘주사 탐침 현미경(Scanning probe microscopy, SPM)’. 여기에 100여 개 탐침을 도입해 그 성능이 더 좋아진 현미경을 우리 대학교 연구진이 개발했다.

공과대학 신소재공학과 심우영 교수 연구팀은 캔틸레버(탐침의 지지대 역할을 하는 긴 판상 형태의 구조물) 없는 간단한 탐침 구조를 이용한 다중 탐침 주사 탐침 현미경을 개발했다.

주사 탐침 현미경은 뾰족한 탐침을 이용해 시료를 훑으며 표면의 미세한 3D 형상을 측정하는 장비인데, 이는 단일 원자 수준의 높은 분해능을 장점으로 현재 나노과학의 핵심 측정 기술로 활용되고 있다. 하지만, 기존 주사 탐침 현미경은 하나의 탐침으로 전체 표면을 측정하는 특성상 측정 면적과 속도가 제한적인 단점이 있어, 국소 면적을 측정하는 단순 연구용으로는 활발히 사용돼 왔으나 산업적으로 활용되기에는 제약이 있었다. 측정 면적을 넓히기 위해서는 탐침의 개수 또한 늘려야 하지만, 기존의 캔틸레버 기반 탐침은 구조가 복잡해 여러 개의 탐침으로 제작하기가 어려웠다. 

이에, 심우영 교수 연구팀은 캔틸레버가 없는 간단한 구조의 다중 탐침 어레이(Cantilever-free tip array)와 이를 표면 측정에 활용할 수 있는 이진 상태 주사 탐침 현미경(Binary-state probe microscopy, BSPM) 기법을 통해 대면적 측정까지 가능한 다중 탐침 주사 탐침 현미경을 개발했다.

[그림1. 다중탐침을 이용한 이진 상태 주사 탐침 현미경 이미징 구조 개념도]

기존 다중 탐침 주사 탐침 현미경은 탐침과 표면 간의 상호작용을 연속적인 값으로 감지해 측정하는 방식을 가지고 있어 이를 수행할 캔틸레버 구조가 반드시 필요했으나, 연구팀은 표면과의 접촉 또는 비접촉 두 가지 상태만을 감지해 측정이 가능한 이진 상태 주사 탐침 현미경 기법을 고안, 캔틸레버가 없이도 활용할 수 있는 탐침 측정 장비를 개발한 것이다.

나아가, 개발된 현미경이 가진 100여 개의 탐침을 동시에 사용해 1㎟ 대면적 표면 측정에 성공, 기존 주사 탐침 현미경 기술의 약 100배에 해당하는 넓은 측정 면적을 확인했다.

[그림2. 1㎝길이에 배치된 100개 탐침 어레이(좌측 사진)를 이용해 1㎟ 면적 테스트 샘플을 측정한 결과(우측 사진)]

심우영 교수는 “이번 성과는 주사 탐침 현미경으로 대면적 표면 이미징을 가능하게 한 중요한 연구결과”이며 “소부장(소재·부품·장비)의 원천 기술 확보 차원에서 의미 있는 결과”라고 덧붙였다. 

주사 탐침 현미경 기술의 근본적인 문제였던 부족한 측정 생산성 향상에 기여하게 될 본 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업과 기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단 등의 지원으로 수행됐으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 3월 17일 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Binary-state scanning probe microscopy for parallel imaging

● 논문주소: doi.org/10.1038/s41467-022-29181-z