국내 연구진이 원자 속 전자의 구름모양을 상온에서 관찰하는 데 처음으로 성공했다. KAIST(한국과학기술원)는 나노과학기술대학원 김용현 교수와 한국표준과학연구원 여호기 박사가 자체 개발한 ‘주사제벡현미경’(SSM, Scanning Seebeck Microscope)을 이용해 전자의 구름모양을 관측해 냈다고 2일 밝혔다.

전자구름을 처음으로 관찰했던 ‘주사터널링현미경’(STM, Scanning Tunneling Microscope) 기술 이후 33년 만이다.

물질의 기본단위인 원자는 대부분 질량을 차지하는 원자핵과 이를 구름모양으로 둘러싼 전자로 구성돼 있다.

1981년 스위스 IBM에서 최초로 전자구름을 관측할 수 있는 주사터널링현미경 기술을 개발했지만, 아주 작은 전기신호를 감지하기 위해 초정밀, 극저온, 무진동 환경을 구현해야 하는 등 한계가 있었다.

연구팀은 한쪽에 열을 가한 뒤 두 물질의 온도 차이로 전압이 발생하도록 하는 ‘제백효과’라는 물리적 현상을 이용해 주사제백현미경을 개발했다.

이어 관찰하려는 그래핀 샘플을 37∼57도로 가열해 상온(27도)의 탐침에 있도록 한 뒤 샘플과 탐침 간 온도 차이로 발생한 전압을 이용해 상온에서 전자구름이 물결 치는 모양을 관찰하는 데 성공했다.

이번에 개발한 현미경은 그래핀, 반도체의 결함을 원자 단위까지 정확하게 관찰할 수 있어 제품 품질과 가격 경쟁력 향상에 기여할 것으로 기대된다.

김용현 교수는 “그동안 잘 알려지지 않았던 나노 열물리 현상을 이해할 수 있을 것으로 기대된다”며 “주사제백현미경의 원리는 차세대 열전소재 개발에도 활용될 수 있다”고 말했다.

이번 연구 결과는 물리학 분야 권위 있는 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters) 지난 1일자 온라인 판에 실렸다.