연구성과

기계・화공 노준석 교수팀, ‘한 땀 한 땀’ 만들던 하이퍼렌즈, 대량생산이 눈 앞에 보인다!

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[초고해상도 광학현미경 실용화 공정 개발]

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생명체의 탄생과 소멸을 함께하는 미생물부터 투명망토와 같은 꿈의 기술을 현실로 만드는 나노물질까지. 작디작은 미세물체들은 인간의 눈엔 보이지 않지만 세상을 움직이는 중요한 존재들이다. 현미경의 발명으로 이런 물체들을 수천~수백만배까지 확대해서 볼 수 있게 되면서 더욱 더 작은 세상을 들여다보려는 연구자들의 시도는 계속 되어왔다. 한계를 뛰어넘는 기술 개발만큼 쉽고 간단한 공정으로 그 기술을 구현하는 실용화도 큰 과제이다.

기계공학과․화학공학과 노준석 교수와 고려대 신소재공학과 이헌 교수 공동연구팀은 나노임프린팅*1 방법을 기반으로 대면적(大面積)의 하이퍼렌즈(hyperlens)*2를 간단하게 제작하는 공정 방법을 개발, 초고해상도 이미징 기술의 실용화에 한걸음 더 다가섰다.

흔히 알려진 현미경은 유리렌즈를 사용하는 광학현미경이다. 광학현미경의 문제는 빛 파장의 절반보다 작은 물질은 볼 수 없다는 점인데, 이를 ‘회절한계’라고 한다. 회절한계를 극복하고 그보다 작은 물질을 볼 수 있게 하는 ‘하이퍼렌즈’는 광학 이미징 기술 분야의 돌파구로 여겨지며 많은 기대를 모으고 있다.

그러나 하이퍼렌즈의 활용은 공정 과정의 어려움으로 인해 아직 요원한 일이다. 가느다란 이온이나 전자 빔을 쏘아 반구(半球) 모양의 렌즈를 일일이 깎아내듯 만드는 공정은 그야말로 장인이 ‘한 땀 한 땀’ 수작업 하듯 많은 시간과 노력이 들기 때문이다. 더욱이 그런 방법으로 넓은 면적에 여러 개의 하이퍼렌즈를 연속적으로 정렬하여 만들기란 가능하지 않았다.

노 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 방식에서 벗어나 하이퍼렌즈의 정렬틀 모형을 만들고 도장 찍듯이 다량으로 찍어내는 새로운 접근법을 제시했다. 특히 하이퍼렌즈의 실용화를 가로막는 어려움 중 하나는 살아있는 세포 등 관찰하고자 하는 샘플을 원하는 위치에 정확히 배치하는 것인데, 연구팀은 대면적 하이퍼렌즈 제작을 통해 이 문제 역시 간단히 해결했다. 다수의 하이퍼렌즈들이 일정하게 정렬된 기판을 만들어 기판 어느 곳에 샘플을 놓아도 가시광선 영역에서 회절한계 이하의 작은 물체를 관찰할 수 있게 한 것이다.

네이처가 발행하는 학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’지를 통해 최근 발표된 이 연구성과는 간단한 공정으로 제작 비용이나 시간을 1만 배 이상 크게 단축할 뿐더러, 특히 제작된 하이퍼렌즈 정렬체를 일반 현미경에 탈착 및 결합하는 일이 가능해 하이퍼렌즈를 이용한 초고해상도 현미경의 실용화를 성큼 앞당길 것으로 기대된다.

연구를 주도한 노준석 교수는 “이번 연구는 하이퍼렌즈 공정의 어려움을 극복하고 다양한 분야에서 사용될 수 있는 실용 가능성을 확인했다는 것에 큰 의의가 있다”며 “이 성과를 바탕으로 초고해상도 현미경이 광학, 생물학, 약학, 나노기술을 비롯한 여러 분야에서 널리 사용될 수 있는 기반을 마련했다”고 설명했다.

한편, 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 신진연구자 프로그램, 선도연구센터 ERC 프로그램, 글로벌프론티어 프로그램, 미래유망파이오니아사업의 지원으로 수행됐다.

 


1. 나노임프린팅 (Nanoimprinting)
도장을 만들어 매번 같은 모양을 찍어내듯이, 나노사이즈의 미세패턴으로 해당 구조를 반복적으로 찍어내 한 번에 크고 많은 나노패턴을 만들 수 있는 나노구조제작 방법

2. 하이퍼렌즈 (Hyperlens)
물질의 유전율(permitivity)을 인위적으로 조절할 수 있는 쌍곡선형 메타물질을 이용하는 렌즈. 작은 정보를 먼 거리까지 전달하는 소멸파(evanescent wave)를 진행파(propagating wave)로 변환시켜 정보의 손실없이 전달함.