박경덕 교수팀, 적응광학 기술 탐침증강

나노현미경에 세계 최초로 접목

근접장 편광제어·적외선 신호 검출로 다양한 분석 가능

박경덕 교수(우측 상단) 연구팀
박경덕 교수(우측 상단) 연구팀

[헤럴드경제(울산)=이경길 기자] 관찰 대상에 따라 관찰 방법을 자유자재로 바꿀 수 있는 광학 분석 기술이 개발됐다. 생물학적 바이러스, 화학적 단일분자, 반도체 입자와 같이 종류가 다른 초미세 입자의 특성을 하나의 현미경으로 분석할 수 있다는 점이 이채롭다.

UNIST(울산과학기술원) 물리학과 박경덕 교수팀은 17일 적응광학 기술을 탐침증강 나노현미경에 접목한 새로운 광학분석 기술을 개발했다고 밝혔다. 탐침증강 나노현미경은 뾰족한 탐침으로 시료를 훑어 형태 정보를 알아내는 동시에 탐침에 모인 빛을 시료에 쏴 시료의 광 특성도 분석할 수 있는 자체 개발 장비다.

탐침증강 나노현미경은 탐침에서 시료로 전달되는 빛의 편광을 조절할 수 없었는데 적응광학 기술을 접목해 이 문제를 해결했다. 적응광학은 빛의 파면을 조절해 산란 등에 의한 파면왜곡을 상쇄하는 기술이다.

탐침증강 나노현미경의 금 탐침은 외부 레이저빔을 모으는 안테나 역할을 한다. 탐침 끝에 모인 빛을 시료에 쪼여 여러 광학적 특성을 알아낼 수 있다. 시료마다 빛과 반응하는 특성이 다르기 때문이다. 탐침으로 형태 정보도 읽어낼 수 있어 프리온처럼 굽혀진 단백질의 3차원 모양과 단백질의 화학결합 변화를 동시에 읽어내는 것이 가능하다.

하지만 기존 탐침증강 나노현미경은 금 탐침 표면에 수직 방향으로만 빛의 편광이 고정돼 편광 제어가 불가능한 고질적인 문제가 있었다. 이 때문에 분자의 정렬방향을 골라 관찰하기 어려웠다.

연구팀은 컴퓨터 알고리즘을 적용해 맞춤형 레이저빔을 만드는 적응광학 방식을 접목해 문제를 해결했다. 탐침에 쏘아주는 레이저빔의 파면이 고정된 기존 기술과 달리 탐침 모양에 맞춰 파면을 조절하는 기술이다. 이 기술로 15나노미터 (10-9m)크기의 분해능으로 편광 방향을 자유롭게 조절 할 수 있었으며, 배향이 서로 다른 단일분자를 구분해서 측정함으로써 기술을 검증했다.

박 교수는 “망원경의 개발이 천체물리학의 발전으로 이어져왔듯 새로운 측정장비의 개발은 새로운 연구 분야의 개척으로 이어진다”며 “이번에 개발한 장비를 코로나 바이러스나 단백질 같은 생체분자 연구에 활용하고 싶다”라며 의생명과학자들과의 후속 연구 의지를 보였다.

한편, 연구에 사용된 시료의 제작에는 한양대 정문석 교수팀이 참여했으며, UNIST 물리학과의 구연정, 강민구 대학원생과 최진성 학부생이 개발 및 측정 연구를 함께 수행했다.

연구결과는 국제학술지 네이쳐 커뮤니케니션즈(Nature Communications)에 8일자로 출판됐으며, 적응형 탐침증강 나노현미경에 관한 원천기술은 국내 및 유럽 특허(PCT)로 출원됐다. 연구수행은 한국연구재단, UNIST 등의 지원을 받아 이뤄졌다.