울산과학기술원(UNIST)은 1천조분의 1초 동안 일어나는 나노입자의 변화를 포착할 수 있는 초고해상도 이미징 기법을 개발했다고 29일 밝혔다.

UNIST에 따르면 화학과 권오훈 교수 연구팀은 국내 유일 4차원 초고속 투과전자현미경을 활용해 이산화바나듐 나노입자의 매우 빠른 금속-절연체 상변화 과정을 펨토초(1천조분의 1초) 수준의 정확도로 직접 포착했다.

이산화바나듐은 섭씨 68도에서 금속-절연체 상변화 현상을 보여 광학센서와 고속 스위칭 소자 등의 소재로 주목받고 있다.

다만 상변화 과정이 펨토초라는 매우 짧은 시간 동안 일어나기 때문에 기존 이미징 기법으로는 나노입자 수준에서 직접 관측이 불가능했다.

초고속 투과전자현미경은 광전자 펨토초 펄스를 광음극에서 생성하고 높은 에너지로 가속해 원자 크기보다 짧은 피코미터(1조분의 1ｍ) 수준의 파장에 도달하면서 높은 시공간 동시 분해능을 가진다.

하지만 광전자 펄스를 이루는 각각의 전자들은 모두 음의 전하를 띄고 있어 서로 밀어내는 성질을 보이는데, 이에 광전자 펄스가 현미경 경통을 지나며 점점 시공간 상으로 확산해 분해능이 떨어진다.

연구팀은 투과전자현미경의 한계를 극복해 이산화바나듐의 상변화 과정을 촬영하고자 보편적으로 사용하는 에너지 필터를 다른 방식으로 활용했다.

우선 현미경의 카메라에 도달하는 동안 시공간 상으로 확산한 광전자 펄스의 일부를 에너지 필터로 걸러냈다.

이후 걸러 낸 일부 광전자들로 이미지를 재구성해 펨토초에 이르는 순간의 상변화를 또렷하게 포착했다.

이는 에너지가 같은 광전자는 가속 후 동일한 시공간에 존재한다는 물리 법칙을 활용한 것이다.

특히 에너지 필터를 활용하면 이산화바나듐 나노입자 군집체를 구성하는 개별 나노입자들의 각기 다른 초고속 상변화 과정을 한 번에 포착할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

권오훈 교수는 "누구나 아는 일반적인 물리학 지식을 토대로 펨토초 이미징 기법을 실험적으로 구현한 최초의 연구"라며 "이산화바나듐의 초고속 상변화 현상을 처음으로 실시간 촬영함으로써 물성 제어에 대한 이해도와 소재 활용도를 높이는 데 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances)에 27일 발표됐다.

연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받았다.