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초고속 나노·바이오 현미경 개발 위한
아토초 극자외선 광원 발생 세계 최초 성공

- 고등광 김이종 박사 등 초강력레이저연구실 Nature Communications 발표

- “세포의 시간적 변화 측정을 통한 생체 정보 전달 체계 규명 가능성 열어”

□ 국내 연구진이 세계 최초로 물투과창 영역(Water window region)에 근접한 아토초 극자외선 광원을 발생시키는 데 성공해, 생체 현상의 근본적인 움직임을 관찰할 수 있는 초고속 나노·바이오 현미경 개발에 한걸음 다가서게 되었다.

◌ 광주과학기술원(GIST·지스트)의 고등광기술연구소(APRI) 초강력레이저연구실(실장 정태문, 제1저자 김이종 박사)이 주도한 이번 연구는 지식경제부 정보통신연구기반구축사업의 ‘극초단 광양자빔 연구시설 설치 운영사업’에 따라 수행됐고, 네이처 자매지인 ‘Nature Communications’ 최신호(11월 27일자)에 게재되었다. (논문명: Relativistic frequency upshift to the extreme ultraviolet regime using self-induced oscillatory flying mirrors)

□ 수분에 흡수되지 않는 물투과창 영역의 아토초 극자외선은 초고속 나노․바이오 영상기술에 개발에 필수적인 광원으로, 선진국 최우수 연구그룹 사이에서 치열한 연구 경쟁이 벌어지고 있는 분야이다.

◌ 초고속 나노․바이오 영상기술은 기존 생화학적 연구 방법의 한계를 뛰어넘어 생명 현상에 대한 다양한 정보를 직접적으로 얻을 수 있는 신기술로 각광받고 있다.

◌ 이 기술을 이용하면 살아있는 세포의 시간적 변화를 측정할 수 있어, DNA와 RNA의 생체 정보 전달 체계, 세포 내 에너지 전달 과정, 유전자의 파괴 및 복구 과정 등 생체 현상의 근본적인 움직임들을 관찰할 수 있다.

□ 그동안 학계에선 ‘상대론적 흔들이 거울(relativistic oscillating mirror) 모델’에 기반해 수십 나노미터(nm) 정도의 파장을 갖는 아토초 광원을 발생시켜 왔다.

◌ 이 모델은 고체 표적 위의 플라즈마에서 형성된 전자층이 매우 빠른 속도로 전후로 진동(진동 거리 1마이크로미터(μm=10-6 m) 미만)하면서, 이로부터 아토초 수준의 극자외선 광원이 발생하는 것을 설명하는 이론이다. 하지만 발생하는 극자외선의 파장이 수십 nm에 머물러 있기 때문에, 10nm 이하의 작은 나노 및 생체 물질에 직접 적용하는 데 한계가 있었다.

□ 지스트 연구진은 ‘흔들리는 비행 거울(oscillatory flying mirror)’이라는 새로운 모델을 개발했다.

◌ 이 모델에 의하면 플라즈마 내 전자층이 매우 빠른 속도로 진동할 뿐만 아니라, 매우 긴 거리(약 100μm)를 빛의 속도에 가깝게 진행하기 때문에 기존 모델에 비해 더 쉽게 더 짧은 파장(4.9nm)을 갖는 아토초 극자외선 광원을 발생시킬 수 있다.

◌ 또 기존 전자 현미경을 활용한 정적인 물질 분석 방법에서 벗어나, 초고속 X선 회절 등을 이용한 시분해 측정을 통해 나노 구조의 형성 및 나노 소자의 동작 특성을 파악할 수 있는 장점이 있다. 나노 구조 및 소자의 특성을 시공간적으로 원자 단위로까지 분해할 수 있어, 물질 변화 과정에 대한 근본적인 탐구가 가능할 것으로 기대된다.

□ 고등광기술연구소 초강력레이저연구실 정태문 실장은 “이번 연구는 펨토초 초강력 레이저를 이용해 시공간의 극한인 초고속 극미세 현상을 연구할 수 있는 길이 열렸다는 점에서 그 의의가 크다”라고 밝혔다. <끝>