무한경쟁의 시대에 국가경쟁력 제고와 과학기술입국의 기반이 되는 요소로서 기초과학의 중요성이 날로 강조되고 있습니다. 사이언스타임즈는 국내를 대표하는 창조적 기초과학 공동연구기관인 '한국기초과학지원연구원'과 공동으로 기초과학 관심 증대를 위해 흥미로운 과학 이야기를 담은 기획시리즈를 마련해 연재합니다. 독자 여러분들의 많은 관심을 부탁드립니다. [편집자 註]

원자구조란?

“우리가 매일 접하고 있는 모든 물질은 무엇으로 이루어져 있는가?” 하는 질문에 가장 간단한 답변은 바로 “원자 또는 원소”라 할 수 있다. 때때로 원자와 원소의 명칭은 서로 구분하지 않고 사용되는 경우가 많지만, 엄밀하게 보면 큰 차이가 있음을 알 수 있다.

사전적 의미를 살펴보면 원소는 “모든 물질을 구성하는 기본적 요소로서, 원자핵 내의 양성자 수와 원자번호가 같으며, 현재까지 109종이 알려져 있다”, 원자는 “물질의 기본적인 단위로, 하나의 핵과 이를 둘러싼 여러 개의 전자로 구성되며, 한 개 또는 여러 개가 모여 분자를 이룬다”고 각각 정의하고 있다.

보다 쉽게 구분하기 위해서는 원소는 종류를, 원자는 입자를 나타내는 개념으로 원자와 원소 모두 물질을 구성하는 최소단위이다. 하지만 그 개념상에 큰 차이가 있다. 예를 들어 H2O에서 원소는 H와 O의 2가지이고, 원자는 H가 2개, O가 1개, 즉 3개이다. O3에서 원소는 O의 1가지이고 원자는 O가 3개로 총 3개가 된다. 그러므로 우리는 특정 소재에 대한 연구를 할 때, 흔히 원소(화학)분석 또는 구조분석으로 분리해서 사용을 하게 되며, 물질의 원자구조분석은 해당 물질의 특성을 파악하기 위한 가장 근본적 접근이라 할 수 있다.

전자현미경이란?

보이지 않는 세계에 대한 발견은 새로운 창조에 대한 희망일 수 있다. 사람의 눈으로 볼 수 있는 작은 세계는 약 0.1 mm(10-3 m) 영역이다. 또한 광학현미경으로 볼 수 있는 작은 세계는 약 0.1 um(10-6 m)이다. 그러므로 원자의 세계 (1Å = 10-10 m)에 대한 관찰을 위해서는 1천만 배 이상의 확대가 필요하며, 원자들 사이를 통과할 수 있는 보다 짧은 파장을 가진 광원이 필요하다.

광학현미경에서 사용되는 가시광선의 파장(약 500 ~ 600 nm)에 비해 파장이 매우 짧은 전자빔(0.004 ~ 0.00073 nm)을 이용할 경우, 물체를 백만배 이상까지 확대를 할 수 있으며, 나노세계를 관찰할 수 있는 분해능 또한 확보할 수 있다. 이러한 기능을 갖추고 있는 것이 바로 전자현미경이며, 한국기초과학지원연구원에서 운영하고 있는 초고전압투과전자현미경(1250 kV, 1.2Å)은 세계 최초로 나노 물질의 원자구조를 3차원적인 방향에서 관찰을 할 수 있는 세계적 공동 연구 장비이다.

나노물질의 원자구조

결정질 고체의 원자구조를 밝히는 연구는 X-선 또는 중성자 빔과 물질 내의 원자들과 회절 현상을 이용하여 수행해 왔다. 이는 직접관찰이 아닌 역공간(가상공간)에서의 일정한 규칙들의 정보를 실공간으로 다시 변환하여 분석하는 방법이다.

이와 달리, 전자현미경을 이용한 원자구조의 분석은 직접 눈으로 원자를 관찰할 수 있다는 장점이 있으며, 다른 분석 방법과 마찬가지로 회절을 이용하여 분석이 가능하여 시료에 따라 적절한 분석법을 택할 수 있다. 또한 마이크로 이하의 크기로 이루어진 결정체를 다결정으로 분류하여 분석이 어려웠던 난제를 벗어나 나노 크기의 각각의 결정체에 대한 원자구조를 밝힐 수 있기 때문에 “나노결정체”라는 용어를 사용하기 시작했다.

미래의 과학을 이끌어갈 차세대 신소재 개발 및 응용분야에 있어서 나노물질의 원자구조를 밝히는 일은 대단히 중요한 일이다. 나노물질은 입자 크기에 따라 특성이 달라지는 성질을 가지고 있으며, 이것은 각각의 원자배열 구조와 밀접한 관계를 가지고 있다. 예를 들어, 탄소나노 튜브의 경우에는 그 응용분야에 따라 다양한 형태를 만들 수 있고, 이러한 형태에 따라 반도체 소자, 나노기어, 나노벨트, 나노캡슐, 주사탐침, 레이저 등 여러 분야에서 응용되고 있다.

이러한 나노물질의 원자구조는 초고전압투과전자현미경을 이용하여 직접 관찰할 수 있다. 강유전체 재료로 활용하고 있는 CaMoO4 결정체를 초고전압투과전자현미경을 이용하여 관찰하여 보면 방향에 따라 원자들의 2차원적 구조가 달라지기 때문에, CaMoO4의 [110]과 [100]의 방향에서는 최소 원자 인접 거리가 각각 0.78Å과 0.94Å이 되어 한 방향만의 관찰로는 3차원적인 배열구조를 규명할 수 없다. 하지만 이러한 복잡한 구조도 여러 방향에서 관찰한 이미지를 조합하면 3차원적인 원자구조를 밝힐 수가 있다.

이와 같이 초고전압투과전자현미경은 무차원 나노입자로부터 1차원(나노막대, 나노튜브 등), 2차원(층상구조), 3차원 나노구조체에 이르기까지 새로운 신물질의 3차원적 구조를 직접 관찰을 통하여 밝혀가고 있으며, 차세대 신물질 개발에 근간이 되는 자료를 제공하고 있다. 그리고 세계적인 경쟁력을 확보하여 국내ㆍ외 연구자들에게 미지의 원자세계에 대한 탐험의 선두에 서서 가이드 역할을 충실히 수행해 나갈 것이다.