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고해상도 엑스선 나노 현미경 해상도 한계 극복

- KAIST, 고해상도 엑스선 나노 현미경 무작위 회절의 수학적 성질 활용

- 반도체 등 나노 시료의 내부구조를 비침습적으로 내부 진단 응용 기대

 

KAIST 물리학과 박용근 교수 (2)

엑스선 현미경은 대부분 물질을 투과하는 장점이 있어 흉부 엑스선이나 CT 촬영을 통해 신체 내부 장기와 골격을 비침습적으로 관찰할 수 있다. 최근에는 반도체, 배터리의 내부 구조를 나노스케일에서 정밀하게 관찰하기 위해 엑스선 영상 기술의 해상도를 높이려는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.

KAIST 물리학과 박용근 교수 연구팀이 포항가속기연구소 임준 박사 연구팀과 공동연구를 통해 기존 엑스선 현미경의 해상도 한계를 극복할 수 있는 원천 기술 개발에 성공했다고 13일(수) 밝혔다.

KAIST 물리학과 이겨레 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 광학 및 광자학의 세계적인 학술지인 `라이트: 사이언스 앤 어플리케이션 (Light: Science and Application)' 4월 7일 字에 출판됐다. (논문명: Direct high-resolution X-ray imaging exploiting pseudorandomness).

엑스선 나노 현미경은 굴절 렌즈가 없어 렌즈 대용으로 동심원 회절판(zone plate)이라 불리는 원형 모양의 격자를 사용한다. 동심원 회절판을 사용하여 얻어지는 영상의 해상도는 회절판 나노구조의 제작 품질에 의해 결정된다. 이러한 나노구조를 제작하고 유지하는 것은 여러 가지 어려움이 있으며, 이러한 한계가 엑스선 현미경의 해상도 한계를 결정했다.

연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 새로운 엑스선 나노 현미경 기술을 개발했다. 연구팀이 제안한 엑스선 렌즈는 얇은 텅스텐 필름에 수많은 구멍을 뚫은 형태로, 입사되는 엑스선을 회절시켜 무작위적인 회절 패턴을 생성한다. 연구팀은 역설적이게도 이러한 무작위적 회절 패턴 속에 시료의 고해상도 정보가 온전히 들어있음을 수학적으로 규명하였으며, 실제 그 시료 정보를 추출하여 영상화하는데 성공하였다.

이러한 무작위 회절의 수학적 성질을 활용한 영상기법은 지난 2016년 이겨레 박사와 박용근 교수가 세계 최초로 제안하고 가시광 대역에서 구현한 기술로서, 당시 네이처 커뮤니케이션즈紙에 보고된 바 있다. 이번 연구는 해당 선행연구 결과를 엑스선 영역의 난제를 푸는 데 활용한 것이다.

 

그림 1. 기존 엑스선 현미경과 제안된 엑스선 현미경의 모식도
그림 2. 제작된 무작위 렌즈의 표면전자현미경 영상과 무작위 렌즈를 지나 측정된 엑스선 무작위 패턴

구성된 시료의 영상의 해상도는 사용한 무작위 렌즈에 식각된 패턴의 크기와 직접적인 상관이 없다. 이러한 아이디어를 바탕으로 연구팀은 300 나노미터(nm) 지름의 원형 패턴으로 제작한 무작위 렌즈를 활용해 14 나노미터(nm) 해상도(대략 코로나 바이러스의 7분의 1 크기)의 영상을 취득하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 영상기술은 기존 동심원 회절판 제작상의 문제에 가로막혀 있던 엑스선 나노 현미경 해상도를 그 이상으로 끌어 올릴 수 있는 핵심 기반 기술이다.

제1 저자이자 공동교신저자인 KAIST 물리학과 이겨레 박사는 “이번 연구에서는 14 나노미터(nm) 해상도에 그쳤지만, 차세대 엑스선 광원과 고성능 엑스선 검출기를 활용한다면, 기존 엑스선 나노 영상의 해상도를 넘어서 전자현미경의 해상도 수준인 1 나노미터 부근까지 근접할 수 있을 것이라

예상한다”라며“전자현미경과는 달리 엑스선은 시료를 훼손하지 않으면서 내부 구조를 관찰할 수 있으므로, 반도체 검수와 같은 비침습적 나노구조 관찰에 새로운 표준을 제시할 수 있을 것이다”라고 말했다.

공동교신저자인 포항가속기연구소 임준 박사는 “같은 맥락에서, 개발된 영상기술은 충북 오창에 신설되는 4세대 다목적방사광가속기에서 크게 성능이 증대될 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 리더연구사업과 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.

 

그림 3. 제안한 무작위 렌즈 기반 영상기법으로 측정된 엑스선 나노 현미경 영상과 해당 위치의 표면전자현미경 영상

□ 연구개요

연구 배경

엑스선의 가장 큰 장점은 시료를 훼손하지 않으면서 내부를 관찰할 수 있다는 것이다. 역설적으로, 이러한 엑스선의 좋은 투과성은 엑스선 광학계를 설계할 때 상당한 골칫거리이다. 엑스선이 대부분의 매질을 큰 변동 없이 투과하여 버리기에, 렌즈나 거울과 같은 기본적인 광학 부품조차 일반적인 방법으로는 제작할 수 없다.

그렇기에 엑스선 현미경에서는 동심원 회절판(zone plate)이라 불리는 원형 모양의 격자를 제작하여 렌즈 대용으로 사용한다 (그림1, 위). 이 동심원 회절판은 실제 렌즈가 아닌 만큼 여러 가지 한계점이 존재하는데, 그중 가장 근본적인 단점은 획득 가능한 영상의 해상도가 동심원 회절판의 최외각 영역 너비로 결정된다는 것이다.

동심원 회절판은 엑스선에서 충분히 회절을 일으킬 수준의 두께가 있어야 하기에, 정해진 두께에서 엑스선 영상의 해상도 증가를 위해 너비를 계속 줄이다 보면, 마치 얇은 바늘을 세워 놓은 것과 같은 불안정한 형태가 된다. 이 때문에 고해상도 동심원 회절판은 제작이 매우 까다롭고, 어렵게 제작에 성공하더라도 사용 과정에서 쉽게 무너져버리는 문제가 있었다.

엑스선 현미경의 해상도는 이러한 동심원 회절판 제작상의 현실적인 문제에 가로막혀 회절 한계에 크게 미치지 못하는 수준에 머물러 있었다.

2. 연구 내용

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 개념의 엑스선 나노 영상 렌즈를 제안하였다 (그림1, 아래). 제안된 렌즈는 원형 패턴을 평면상의 무작위 위치에 배치한 형태로(그림 2, 왼쪽 및 가운데), 입사빛을 무작위적으로 회절시켜 얼핏 입사빛과 전혀 관계없어 보이는 무작위 회절 패턴을 생성한다(그림 2, 오른쪽).

본 연구의 핵심 아이디어는 이렇게 측정된 무작위 회절 패턴의 수학적 성질을 활용하면 입사 영상을 재구성할 수 있으며, 또한 구성된 시료의 영상의 해상도는 사용한 무작위 렌즈에 식각된 패턴의 크기와 직접적인 상관이 없다는 것이다. 이러한 아이디어를 바탕으로 연구팀은 300 nm 지름의 원형 패턴으로 제작한 무작위 렌즈를 활용하여 14 nm 해상도의 영상을 취득하는 데 성공하였다 (그림 3).

무작위 회절의 수학적 성질을 활용한 영상기법은 지난 2016년 이겨레 박사와 박용근 교수가 세계 최초로 제안하고 가시광 대역에서 구현한 기술로서, 당시 네이처 커뮤니케이션즈紙에 보고된 바 있다. 본 연구는 해당 선행연구 결과를 엑스선 영역의 난제를 푸는 데 활용한 것이다.

3. 기대 효과

본 연구팀이 개발한 영상기술은 기존 동심원 회절판 제작상의 문제에 가로막혀 있던 엑스선 나노 현미경 해상도를 그 이상으로 끌어 올릴 수 있는 핵심 기반 기술이다. 본 연구에서는 14 nm 해상도에 그쳤지만, 차세대 엑스선 광원과 고성능 엑스선 검출기를 활용한다면, 기존 엑스선 나노 영상의 해상도를 넘어서 전자현미경의 해상도인 1 나노미터 수준에 근접할 수 있을 것이라 기대한다. 이러한 맥락에서, 개발된 영상기술은 충북 오창에 신설되는 4세대 다목적방사광가속기에서 크게 성능이 증대될 수 있을 것으로 기대한다. 전자현미경과는 달리 엑스선은 시료를 훼손하지 않으면서 내부구조를 관찰할 수 있으므로, 반도체 내부 구조 관찰과 같은 비침습적 나노구조 관찰에 새로운 표준을 제시할 수 있을 것이다.

또한, 고해상도 엑스선 영상을 취득하는데 여러 번의 측정이 필요 없고 시료의 크기나 형태에 구애받지 않으므로, 엑스선 자유전자레이저(X-ray free-electron laser, XFEL)에서 생성되는 엑스선 펄스와 접목하면 생체 조직, 세균, 바이러스 등 연성 시료의 내부구조를 관찰할 수 있을 것으로 기대한다 (연성 시료는 엑스선 펄스를 맞아 파괴되기에 여러 번의 측정이 필요한 영상기술은 적용할 수 없다). 이를 통해 치료제 및 백신 개발 등 의료바이오 연구 및 산업 분야에 효과적으로 활용될 수 있다.

KAIST 홍보실 제공 

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