나노 다이아몬드의 빛, UNIST가 찾아낸다

권오훈 교수팀, 고해상도 음극선 발광 검출기법 개발

울산과학기술원(UNIST)이 투과전자 현미경 기반 고해상도 음극선 발광 검출 기법을 개발했다. (왼쪽부터 김예진 연구원, 권오훈 교수)

[아시아경제 영남취재본부 이세령 수습기자] 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 원자를 보는 현미경으로 나노 다이아몬드가 내는 빛을 검출하는 분석법을 개발했다.

올해 7월 프랑스 연구팀이 발표한 주사 투과전자 현미경 기반 기술과 견줄 수 있는 첨단 이미지 처리 분석 기법을 제시했다고 28일 밝혔다.

기존에는 나노 다이아몬드 여러 개가 모인 앙상블 상태의 발광 현상만 검출할 수 있어 입자 각각의 광 특성을 구분하는 감도가 떨어졌었다. 이젠 나노 다이아몬드뿐만 아니라 실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재들도 분석이 가능해졌다.

UNIST 화학과 권오훈 교수팀은 나노 다이아몬드와 같은 와이드 밴드 갭(WBG) 물질의 발광 특성과 물질 내 전하 입자 이동 등을 분석하는 기술을 개발했다.

연구 수행은 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 이뤄졌으며 연구 결과는 현지 시각으로 12월 13일에 세계적인 학술지인 ‘ACS 나노 (ACS Nano)’에 발표됐다.

밴드 갭(Band Gap)은 전자가 지닐 수 있는 에너지 대역의 차이로 물질 속에서 전자가 존재하는 에너지 레벨과 존재하지 않는 레벨 사이의 차를 일컫는다.

차세대 반도체와 양자 광원을 만드는 소재로 넓은 에너지 준위(準位) 특성을 가진 화합물 반도체가 부상하며 와이드 밴드 갭 물질이 주목받고 있다.

와이드 밴드 갭 물질은 실리콘보다 고온·고압에 강하지만 밴드 갭이 넓은 특수한 물리적 특성으로 일반 분광 분석법으로는 특성을 분석하기 어려웠다.

권 교수팀은 전자빔을 물질에 쏴 물질의 구조를 원자 수준에서 볼 수 있는 고해상도 투과전자 현미경에 음극선 발광 검출기를 결합하는 새로운 분석법을 썼다.

투과전자 현미경을 이용한 나노 다이몬드의 발광특성 분석 모식도.

투과전자 현미경의 고에너지 전자빔으로 와이드 밴드 갭 물질의 전자를 들뜬 에너지 상태로 만들 수 있어 발광 특성 분석이 가능했다.

전자가 들뜬 상태에서 바닥 에너지 상태로 떨어지면서 빛이 나오고 이 정보가 음극선 발광 검출기로 전달되는 원리다.

연구팀은 이 기술로 차세대 양자 광원 소재로 꼽히는 나노 다이아몬드를 분석했다.

나노 다이아몬드 내부에는 양자컴퓨터나 정보통신의 광원으로 쓸 수 있는 미세 구조인 다이아몬드 NV 센터가 여러 개 있는데 이 미세 구조 사이에서 일어나는 전자의 이동과 그 소요 시간을 밝혀냈다.

팀은 아주 작은 물질 속에서 순식간에 일어나는 현상을 포착할 수 있는 국내 유일의 4차원 초고속 투과전자 현미경 기술을 보유한 덕분에 가능했다고 전했다.

해당 기술은 전자빔을 피코(10-12)초 단위로 끊어 조사해 물질 내 전자의 이동처럼 매우 짧은 순간에 일어나는 현상을 읽을 수 있다.

빔을 쏘는 영역을 아주 좁게 만들어 머리카락 굵기보다 훨씬 작은 나노 다이아몬드 입자 하나의 구석구석까지 발광 현상을 분리해 측정할 수 있다.

제1 저자인 김예진 연구원은 “투과전자 현미경 기반 분석법은 물질 내부의 깊숙한 지점까지 관측할 수 있다”라고 말했다.

권오훈 교수는 “초미세 발광 소재인 양자점, 반데르발스 이종접합 소재의 특성 분석과 새로운 나노 광소자 개발에도 이바지할 수 있을 것”이라 말했다.

영남취재본부 이세령 수습기자 ryeong@asiae.co.kr