필름 구조분석 시간 획기적 단축, 고품질 나노패턴 제작 등 활용 영역 다양
국내 연구진이 광학현미경의 한 종류인 암시야 (dark-field) 현미경*을 개량하여, 나노 스케일의 규칙적인 패턴(이하 나노 패턴)을 만드는 틀로 사용될 수 있는 마이크로스피어** 이중막 필름의 구조를 손쉽게 파악할 수 있는 기술을 개발했다. 고품질의 나노 패턴을 만들 때 필요한 마이크로스피어 필름의 품질 관리를 쉽고 저렴하게 할 수 있는 길이 열린 것이다.
* 암시야 현미경 (Dark-field microscopy): 표본 내 굴절률이 다른 계면에서 산란되는 빛만 수집함으로써 배경광은 어둡게 물체는 밝게 상을 맺는 현미경. 일반적인 명시야 현미경(Bright-field) 보다 더 선명한 이미지를 얻을 수 있음.
** 마이크로스피어(microsphere): 수백 나노미터~수 마이크로미터 크기의 균일한 구형의 콜로이드 입자
광주과학기술원(GIST) 고등광기술연구소(APRI)의 김준헌 박사가 주도하고 박정수 연구원이 참여한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(일반연구자지원)과 광주과학기술원 고등광기술연구소 기관고유사업의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 네이처(Nature)의 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 5월 11일자 온라인 판에 게재되었다.
(논문명: Partial dark-field microscopy for investigating domain structures of double-layer microsphere film)
바이오센서 등에 활용되는 나노 패턴을 넓은 면적으로 찍어내려면 섬세한 틀(template)이 필요하다. 작은 입자들이 모여 있는 마이크로스피어 필름은 입자들 사이에 규칙적인 틈이 생겨 이러한 틀로 활용될 수 있다.
마이크로스피어 필름은 입자들의 결정 방향이 일정해야 고품질이라고 할 수 있다. 기존에는 결정 방향을 확인하기 위해 현미경으로 각각의 마이크로스피어를 관찰하여 위치를 확인하는 방법을 사용했다. 특히 좀 더 복잡한 나노 패턴 제작에 사용되는 이중막 형태의 마이크로스피어 필름은 두 개의 막에 있는 입자의 상대적 위치까지 파악해야하기 때문에 더 많은 노력과 시간이 소요되었다.
연구팀은 암시야 현미경의 집광기*를 개량하여 필름의 위·아래 막에 있는 입자 하나하나를 관찰하지 않고도 마이크로스피어의 상대적인 위치와 결정 방향에 따라 해당 영역 이미지의 명암이 극명히 달라지게 했다. 이로써 개별 입자가 아닌 영역별로 결정방향을 확인하는 데 성공했다.
* 집광기 : 현미경에서 광원으로부터 나온 빛을 모아 표본에 비춰주기 위한 장치
동 성과로 마이크로스피어 이중막 필름의 결정 구조를 확인하는 시간이 획기적으로 단축되어, 고품질 나노패턴 제작을 위한 마이크로스피어 필름의 품질관리 공정의 효율성을 높일 수 있는 길을 열었다.
김준헌 박사는 “복잡하거나 비싼 별도의 광학 장치의 추가 없이도 마이크로스피어 이중막 필름의 결정구조에 따른 이미지의 명암대비를 획기적으로 높일 수 있는 창의적 방법”이라면서 “관련 연구는 물론 나노 패턴 생산 및 연관 산업에도 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
규칙적으로 배열된 금속 나노패턴은 특유의 광학적 특성으로 인하여 바이오 센서 등 다양한 분야에서 활발히 활용되고 있다. 이러한 금속 나노패턴을 대면적으로 제작하기 위해서는 나노패턴 형성을 위한 틀 (template)의 역할을 하는 구조체가 필요한데, 다양한 구조체 중에서도 제작의 용이성 등으로 인하여 활발히 연구되고 있는 구조체 중의 하나가 마이크로스피어들을 밀집하여 만들어진 필름이다.
마이크로스피어들을 자기조립(Self-assembly) 방식으로 기판 위에서 최대로 밀집할 경우 육각대칭성(hexagonal symmetry)를 갖는 규칙적인 구조를 형성한다. 이를 필름 형태로 만들면 밀집된 마이크로스피어 입자들 사이에 틈이 생기는데 이 틈을 이용하면 규칙적인 대면적의 나노 패턴을 찍어낼 수 있는 틀(template)로 사용될 수 있다.
마이크로스피어 필름을 고품질의 대면적 나노 패턴 제작을 위한 틀로 활용하려면 필름의 입자가 일정한 결정 방향(단결정 상태)을 가져야 한다.
일반적인 현미경 영상에서 마이크로스피어는 배경과 대비되는 명암을 가지는 원으로 보이기 때문에 각각의 마이크로스피어의 2차원적 위치를 파악하여 그 정렬 상태를 확인할 수 있다.
문제는 단일막이 아닌 이중막의 경우, 2차원적인 결정방향이 같아도 위·아래 막에 위치한 마이크로스피어의 상대적 위치에 따라 3차원적인 결정방향은 다른 두 가지의 경우가 존재할 수 있다(그림 1)는 점이다. 기존에는 현미경의 초점을 바꾸어가며 필름의 위·아래 막에 존재하는 입자의 상대적인 위치를 일일이 관찰해 전체적인 구조를 확인했다.
그러나 이 방법으로는 대면적 필름에서 수백 나노미터에 불과한 작은 사이즈의 마이크로스피어 필름의 구조를 확인하기가 쉽지 않다. 고배율 렌즈를 사용할 경우 마이크로스피어 각각의 위치 확인은 할 수 있지만 전체적인 결정구조 파악은 어렵고, 배율을 낮추면 보다 넓은 영역은 볼 수 있지만 개개 위치 파악은 불가능하기 때문이다. 이를 보완하기 위해 고가의 추가 장비나 특수한 이미지 후보정 작업이 필요하기도 하다.
2. 연구내용
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 기존 암시야 현미경의 간단한 개량을 통하여 마이크로스피어 이중막의 3차원적인 결정방향에 따라 해당 영역의 명암이 선명하게 차이가 나도록 하는 기술을 개발했다. 즉, 마이크로스피어 하나하나의 위치를 확인하는 대신 해당 영역의 명암 차만 보고도 신속하게 마이크로스피어 필름의 결정 방향을 구별할 수 있도록 한 기술이다.
밀집된 마이크로스피어 필름에서는 세 개의 마이크로스피어가 접촉하여 삼각형 혹은 역삼각형 모양의 빈 공간을 만든다. 마이크로스피어 이중막 필름에서는 이 중 어느 종류의 빈 공간 위에 두 번째 층의 마이크로스피어가 존재하느냐에 따라 동일한 2차원적 결정방향을 가지면서도 서로 다른 3차원적 결정구조를 가지게 된다.
본 연구에서는 기존 암시야 현미경의 모든 방향에서 입사할 수 있는 고리 형태의 집광기에 세 방향에서만 빛이 입사할 수 있도록 제한한 부품을 추가했다.
개량된 집광기는 빛의 입사방향과 마이크로스피어의 정렬 방향의 상대적인 방향 차이에 따라 첫 번째 막의 마이크로스피어 사이에 생기는 두 가지 중 한 가지 종류의 빈 공간만 선택적으로 밝힌다. 이때, 첫 번째 막에서 밝게 빛나는 부분이 두 번째 막을 비추는 광원으로 작용함으로써 두 번째 막의 마이크로스피어가 어느 종류의 빈 공간 위에 위치하느냐에 따라 그 밝기가 완전히 달라진다. 따라서 이를 이용하면 두 가지 결정구조 영역을 뚜렷한 명암대비로서 쉽게 구분할 수 있다(그림2).
3. 기대효과
해당 기술을 이용하면 현미경의 초점 이동 없이도 마이크로스피어 이중막의 3차원적 결정구조를 신속하고도 뚜렷하게 구별할 수 있기 때문에 이를 틀로 활용하는 나노 패턴을 제작할 때 품질 관리에 활용 가능하다. 또한 고가의 복잡한 광학 장치나 이미지 보정을 위한 특별한 후처리 없이, 기존에 상용화된 일반 암시야 현미경 장치의 집광기에 간단한 부품만 추가하면 되기 때문에 관련 연구나 산업 활용 시 비용과 노력을 크게 줄일 수 있을 것으로 보인다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
마이크로스피어 필름의 결정방향을 확인할 때 기존에는 광학현미경으로 하나하나 관찰해야 했으나 영역별 명암대비 구별 만으로 전체적인 결정 방향 확인 가능.
어디에 쓸 수 있나
대면적 나노 패턴 제작의 틀 등으로 활용될 수 있는 마이크로스피어 이중막의 정렬상태 및 결정구조를 빠르게 분석하는데 이용가능.
실용화까지 필요한 시간은
기존 상용 암시야 현미경 집광기에 빛의 입사 방향을 제한하는 부품만 추가로 장착하면 바로 이용 가능.
연구를 시작한 계기는
마이크로스피어 이중막은 단일막과 달리 동일한 2차원적 결정방향을 가지면서도 서로 다른 3차원적 결정방향를 가질 수 있기 때문에 한 장의 이미지로 3차원적 결정방향 차이에 따른 영역 구별이 쉽지 않았음. 따라서 값비싼 장치 없이 기존의 일반적인 광학현미경을 사용하여 해당영역 구별을 더 빠르고 쉽게 할 수 있는 방법을 찾고자 하였음.
용 어 설 명
1. 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)
네이쳐 퍼블리싱 그룹 (Nature Publishing Group)이 발행하는 natural science 분야 국제학술지 (2013년 기준 영향력지수 IF=5.078)
2. 마이크로스피어(Microsphere)
플라스틱 또는 유리로 만들어진 수백 나노미터 ~ 수 마이크로미터 크기의 균일한 구형 콜로이드 입자.
3. 암시야 현미경 (Dark-field microscopy)
일반적인 명시야 (Bright-field) 현미경과 달리, 고리(ring)형태의 집광기를 통해 표본에 기울어진 방향의 입사광을 비춰 물체에 의해 산란 또는 굴절되는 빛만 수집하는 현미경. 배경광은 어둡게 물체는 밝게 나타나며 명시야 현미경보다 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
4. 자기조립 (Self-assembly)
외부의 인위적인 배치 없이 특정 조건에서 구성 입자들이 스스로 조립하여 특정 구조를 형성하는 현상. 마이크로스피어 필름의 경우, 마이크로스피어가 담긴 용액이 기판 위에서 마를 때 표면장력에 의해 마이크로스피어들이 스스로 밀집된 필름을 형성한다.
5. 집광기 (Condenser)
현미경에서 광원으로부터 나온 빛을 모아 표본에 비춰주기 위한 장치
그 림 설 명
[그림 1] 마이크로스피어 이중막 필름에서는 첫 번째 막에 생긴 삼각형 모양 혹은 역삼각형 모양의 틈 중 어느 모양 위에 두 번째 막의 입자가 위치하느냐에 따라 2차원적 결정방향은 같지만 3차원적 결정방향은 다른 두 가지 결정구조 존재 가능.
모든 방향에서 빛이 입사하는 기존 암시야 현미경은 두 구조 모두 밝게 보여 구별이 쉽지 않은 반면, 세 방향에서만 빛이 입사할 수 있도록 제한한 개량된 암시야 현미경에서는 두 구조의 명암대비가 극대화됨. 첫 번째 막의 밝은 부분이 두 번째 막을 비추는 광원으로 작용하는 원리 이용.
[그림 2] 새로 개발된 기술로 얻은 이미지.
해당 배율로는 개개의 마이크로스피어의 위치 확인은 불가하나 마이크로스피어 이중막 구조의 3차원적 결정방향에 따라 영역별 명암 대비가 확실하다.
