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  • 광민감성 고분자를 이용한 원자 현미경의 영상화 속도 향상등록일 : 2015/12/02
  • 원자 현미경(atomic force microscope, AFM)의 캔틸레버(cantilever)를 구성하는 재료를 변경함으로써, 현미경의 영상화 속도를 획기적으로 개선하는 방법이 스위스 로잔 연방 공과대학(EPFL) 연구팀에 의해 개발되었다. 본 연구는 AFM의 영상화 속도를 거의 20배 향상시키게 될 것이다.

    원자 현미경은 나노과학 및 나노기술 분야에서 널리 사용되고 있는 도구이다. 원자 현미경은 매우 높은 해상도를 가지는 기술로, 과학자들로 하여금 단일 원자만큼 매우 작은 물체까지도 관찰할 수 있도록 해 준다. 그러나 이 기술의 단점 중 하나는 영상을 획득하는 속도가 상대적으로 느리며, 때로는 하나의 고해상도 영상을 얻기 위해 10분이 걸리기도 한다는 점이다. 이에 EPFL 산하 바이오 및 나노기구 연구소(Bio and Nano-Instrumentation)의 Georg Fantner가 이끄는 연구팀은, 원자 현미경의 캔틸레버를 구성하는 물질로 변경함으로써 이 문제를 해결할 수 있다고 밝혔다.

    원자 현미경은 매우 미세한 탐침(캔틸레버) 덕분에, 시편을 가로지르며 표면 형태(topography)를 감지한다. 탐침은 끝이 매우 날카로운 팁으로 시편의 표면과 접촉한다고 본 연구의 선임저자인 Jonathan Adams는 밝혔다. 따라서 캔틸레버가 시편의 표면 형태를 감지하는 속도가 원자 현미경의 영상을 얻기 위한 속도결정 단계(rate-limiting step)에 해당한다.

    한계를 드러낸 원자 현미경의 소형화
    지난 십 년간, 과학자들은 예를 들어 캔틸레버를 더 작게 만들어 형태를 최적화하거나 많은 캔틸레버를 평행으로 배열하는 등의 방법을 사용해 그 속도를 향상시키고자 노력하여 왔다. 그러나 이런 방법들은 결국 한계에 도달하였고 추가적인 소형화는 거의 불가능하게 되었다.

    연구팀은 캔틸레버의 기하학적 형태를 변경하는 방법을 사용하지 않고, 조성 자체를 바꾸었다. 일반적으로 원자 현미경의 캔틸레버는 반도체 산업에서 널리 사용되는 물질인 실리콘 및 질화규소(silicon nitride)로 만들어진다. 하지만 이런 재료의 문제점은, 형태의 변화를 감지하였을 때 진동하는 크기의 변화를 일컫는 ‘ring down’에 시간이 걸린다는 점이다. 캔틸레버는 이런 ring down이 완료되기 전까지는 어떤 새로운 형태의 변화로 감지할 수 없기 때문에, 원자 현미경의 ring down 속도는 시편을 스캔할 수 있는 속도를 제한하게 된다.

    높은 고유 감쇄 특성이 있는 광민감성 고분자
    연구팀은 광민감성 고분자인 SU-8로 캔틸레버를 제작하기로 결정하였다. SU-8은 높은 고유 감쇄(intrinsic damping) 특성이 있어서 ring down이 더 빠르게 발생한다. 이 점탄성(viscoelastic) 물질은 이미 1990년대 캔틸레버를 제작하기 위해 사용된 바 있다.

    실험결과에 의하면, SU-8로 만들어진 캔틸레버를 포함하는 원자 현미경의 속도는, 기존의 소재를 이용해 만든 현미경에 비해 100배까지 빠른 속도를 나타낸 것으로 밝혀졌다. 개발된 캔틸레버 재료는 연구에 원자 현미경을 사용하는 거의 모든 이들에게 영상화 속도를 용도에 따라 10∼100배 정도 향상시켜 줄 것으로 기대된다고 연구팀은 강조하였다.

    연구팀은 현재 원자 현미경의 영상화 속도와 해상도를 더욱 향상시키기 위해 새로운 재료 및 재료의 조합에 관한 연구를 수행 중이다.

    그림 1> HS-AFM 영상이 유체보다 공기 중에서 더 느린 이유
    (a-d) 경계 조건의 변화에 민감한 진동하는 캔틸레버의 반응시간은 f0/Q 비율과 관련이 있다. 높은 f0, 낮은 Q 고분자 캔틸레버는 f0/Q 값을 최대화하여 공기 중에서 가장 빠른(d) 캔틸레버 반응값을 나타낸다. (e) HS-AFM 영상화를 위한 캔틸레버 개발 동향. (f) 운모(sanded mica)에 대한 고속 탭핑 모드(tapping-mode) 영상.

    그림 2> 고분자 캔틸레버와 기계적 반응
    (a) 대형 및 소형 상업용 AFM 캔틸레버와 대형 및 소형 SU-8 캔틸레버의 비교(상단) 및 소형 SU-8 캔틸레버의 전체적인 영상. (b) 열역학적 노이즈 스펙트럼. (c) 순수한 공기 감쇠(적색) 혹은 점탄성 감쇠(청색)로 인한 SU-8 캔틸레버의 열 노이즈 스펙트럼

  • 키워드 : 원자 현미경, 광민감성 고분자, 캔틸레버,
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑