건국대 자연과학대학 나노기술연구센터 임용식 교수(나노전자기계공학과, 초고속레이저연구실) 연구팀은 대표적인 나노물질인 단일벽 탄소나노튜브(CNT)에서 광학기법인 시분해 분광법으로 다양한 나노튜브의 특성(튜브직경 또는 구조)을 실시간으로 분석할 수 있는 기법을 개발했다고 밝혔다.
임 교수 연구팀은 액상으로 조밀하게 밀집된 나노튜브를 빠르게 분석할 수 있는 기법을“Coherent Electronic and Phononic Oscillations in Single-Walled Carbon Nanotubes”라는 제목으로, 미국화학회가 발간하는 세계적 과학저널인 나노레터스(Nano Letters) 최근호에 게재했다. 나노레터스는 나노과학계 최고저널 가운데 하나로 인용지수(IF)가 12.21이다. 임 교수는 이 연구에서 반도체형 탄소나노튜브에서 전자구조의 결맞음성에 기인한 강한 진동신호와, 아울러 수반되는 미세한 격자진동 신호를 처음으로 관측·분석했다.
임 교수팀이 개발한 새로운 나노계측 기술은 펄스폭이 극히 짧은 펨토초(10-15 초) 펄스로 탐사하는 광학기법으로 시료에서 발생하는 미세한 전자적 구조 변화와 원자간 격자진동의 변화를 시간 진행에 따라 투과세기의 변화로(투과율 미소 변화량 ~10-5) 직접 검출하는 레이저 분광법이다.
검출된 탐사광의 세기는 독특한 여러 주파수의 합성으로 표현되는 데, 사용되는 레이저 중심파장을 변화시키면 검출된 진동 주파수(모드)도 민감하게 변한다. 이러한 진동모드들은 시료 내부의 전자 구조의 정보를 반영할 뿐 만 아니라 원자간(격자) 진동에 관한 정보를 담고 있는 데, 탄소나노튜브의 종류에 따라 고유 진동주파수도 달라지고 공명조건에 따라 진동세기도 달라 이를 분석하면 각 튜브 종류에 따라 그 전자 준위와 격자 진동준위(구조)를 거의 완벽하게 추출할 수 있다.
임 교수 연구팀은 유사한 측정기법을 지난 2006년 탄소나노튜브에 적용하여 “Coherent Lattice Vibrations in Micelle-Suspended Single-Walled Carbon Nanotubes”라는 제목으로, 같은 저널에 발표(Nano Lett. 6, 2696, 2006, 약 40회 인용횟수)한 바 있다. 이번 연구에서는 그 기법을 더 한층 진보시켰으며, 보다 장파장 적외선 파장대역의 펨토초 레이저 광원(공동주저자 포항공대 주태하 교수 연구팀)을 사용하여 레이저 고유의 결맞음성으로부터 파생된 나노튜브의 결맞는 격자진동 뿐 만 아니라, 결맞는 전자적 구조에 기인한 강한 진동주파수 성분들을 추출하여 나노튜브를 분석할 수 있는 기법을 새로이 제시했다.
이러한 새로운 나노물질에 관한 시분해 정밀 계측기법은 기존에 나노물질의 크기나 종류를 구분하기 위한 방법들(전자 및 X선 현미경법, 라만 및 형광 분광측정법)에 비해 독특한 여러 장점을 갖는다.
고밀도 시료에 대해 전처리 과정이나 시료손상 없이 동시 다발로 처리할 수 있는 능력과 높은 분해능을 가지며, 연속적인 파장 변환측정이 어려운 라만 측정이나 금속 나노튜브에서는 측정이 불가한 형광측정법에 비해 큰 차별성을 갖는다. 자외선 파장영역의 펨토초 광원을 이용하면, 에너지띠가 큰 양자 나노 재질이나 생체 내 약효 나노 재질의 거동 등에도 활용될 것으로 예상된다.
아이씨엔 오윤경 기자 news@icnweb.co.kr
