찰나의 순간 원자구조 포착 가능…세계 최고 ‘전자카메라’ 개발

[헤럴드경제=구본혁 기자] 세계에서 원자의 운동을 순간적으로 가장 잘 포착하는 전자카메라가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이 장치는 기존보다 원자의 운동을 3배 이상 빠르면서 100배 이상 밝게 관측할 수 있어서 향후 물성 연구에 다양하게 활용될 것으로 기대된다.

한국원자력연구원은 정영욱 박사팀이 ‘초고속 전자회절 장치’라 부르는 장비로 32펨토초(10~15초)의 시간분해능을 갖추고 있어 세계에서 원자와 분자의 운동을 가장 빠르게 포착할 수 있는 전자카메라를 개발했다고 13일 밝혔다.

원자의 움직임은 보통 펨토초(10~15초, 천조 분의 일 초)에서 피코초(10~12초, 일조 분의 일 초) 단위로 매우 짧은 순간 동안 일어나는데 초고속 전자회절 장치는 이러한 반응을 포착할 수 있다.

얼마나 짧은 순간에 특정 현상을 측정할 수 있는지를 나타내는 성능지표를 ‘시간분해능’이라 부르며, 시간분해능이 우수하면 더 짧은 시간 단위에서 나타나는 원자의 운동을 포착할 수 있다. 일반 카메라의 경우 빠르게 움직이는 물체를 촬영하기 위해서 셔터를 더 짧은 순간에만 여닫는 것과 같다.

또한 단순히 정지영상으로 물질의 분자 구조만 측정이 가능한 전자현미경과 달리 초고속 전자회절 장치는 분자 속 원자의 움직임을 포착할 수 있어, 분자 구조의 운동까지 측정할 수 있다.

기존 가장 우수하다고 알려진 미국 스탠퍼드선형가속기연구소가 보유한 초고속 전자회절장치가 100펨토초의 시간분해능을 가지는 것에 비하면, 이번에 개발한 장치는 이보다 세 배 더 빠른 원자의 움직임을 잡을 수 있다.

원자력연구원은 시간흔들림을 원천적으로 제거하는 기술을 처음으로 구현했으며, 아토초 대역의 문턱인 수 펨토초까지 낮추는 데 성공했다. 측정기술의 정밀도를 더 높이면 아토초 대역에 진입하는 것이 가능할 것으로 기대하고 있다.

이기태 원자력연구원 박사는 “이번 연구 성과로 초고속 분자구조 변화를 포착하는 것이 가능해졌다”며 “빠르면 2021년부터 해당 장치를 많은 연구자가 사용할 수 있도록 서비스를 제공해 국내 관련 분야의 연구를 발전시키는데 기여하겠다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 광학 분야 국제학술지 ‘네이처 포토닉스’ 4월호에 게재됐다.