인간은 확대현상을 발견하면서 큰 것에서 작은 것으로, 작은 것에서 더 작은 것으로 관심의 영역을 확대했다. 이 호기심은 인간의 눈으로 볼 수 있는 영역보다 한참 아래인 10억분의 1이라는 나노 세계에까지 이르렀다. 이 나노 세계를 주도하고 있는 원자현미경은 기존의 현미경과 차원이 다르다. 단순히 물질을 보는 것으로 그치지 않는다. 나노 세계를 조작하는 도구다.
나노 세계는 광학현미경을 이용하더라도 우리 눈으로는 직접 볼 수 없다. 가시광선의 파장은 400-700nm로 이 이하의 간격으로 존재하는 물체는 우리 눈으로 구분할 수가 없다. 즉 나노 단위로 내려가면 빛 자체가 점과 점 사이를 구분해주지 못하기 때문에 광학현미경을 이용해 아무리 확대를 해도 한 덩어리로 밖에 볼 수 없다. 따라서 이를 구분해서 볼 수 있게 도와주는 장치가 필요한데 이것이 전자현미경과 원자현미경이다.
제1세대 광학현미경과 제2세대 전자현미경에 뒤를 이어 등장한 원자현미경은 제3세대 현미경으로 불린다. 진공에서만 관찰이 가능한 전자현미경과 달리 대기 중에서 쉽게 사용할 수 있으며, 시료의 모양을 수평방향과 수직방향 모두 정확하게 측정할 수 있다. 또한 시료의 물리적 성질과 전기적 성질까지 알아낼 수 있다. 특히 광학현미경의 배율이 최고 수천 배, 전자현미경의 배율이 최고 수십만 배인데 비해 원자현미경의 배율은 최고 수천만 배여서 원자 하나하나를 자세히 관찰할 수 있다. 또 원자지름의 수십분의 1(0.01nm)까지도 측정해낼 수 있다.
원자현미경은 어떻게 우리 눈으로 볼 수 없는 세계를 보여주는 것일까?
원자현미경은 탐침을 원자 한두 개 크기 정도 떨어진 시료에 접근시켜 나노 크기로 아주 작은 시료의 모습을 그려낸다. 원자현미경은 원조격인 주사탐침현미경(Scanning Probe Microscope, 이하 SPM)과 원자력간현미경(Atomic Force Microscope, 이하 AFM)으로 구분할 수 있는데 이들은 약간 다른 방식으로 동작한다.
SPM은 시료와 탐침 양쪽에 전기를 걸어 양자역학적 터널링 현상으로 전류가 흐르는 특성을 이용한다. 전류를 일정하게 유지하고 탐침을 시료 위에서 움직이면 탐침은 시료의 원자 의 모양에 따라 상하로 움직인다. 바로 이 탐침의 움직임을 컴퓨터로 분석해 시료 표면의 원자구조 이미지를 그려내는 것이다.
시료가 전기가 통하지 않는 물질일 때는 SPM을 이용할 수 없어 시료와 탐침 원자 간에 작용하는 힘을 이용해 시료의 형상을 측정해내는 AFM을 이용한다. AFM은 STM보다 표면을 그려내는 최대 해상도가 부족하지만 시료를 거의 손상시키지 않는 장점이 있다. 이 때문에 AFM이 현재 가장 널리 쓰이고 있다.
원자현미경은 앞에서 말한 것처럼 작은 것을 볼 수 있는 것만이 아니라 아주 작은 원자를 원하는 위치로 움직일 수 있고 나노크기로 표면을 가공할 수 있다. 예를 들어 반도체 공정에 쓰이는 나노리소그래피(nano-lithography) 기술에서 AFM은 중요한 역할을 하고 있다. 리소그래피는 반도체나 다른 고체의 표면을 처리해 아주 작은 구조를 만드는 기술이다.
AFM을 사용한 리소그래피 기술은 크게 2종류다. 하나는 나노새김으로 나노미터 크기의 AFM 탐침으로 직접 반도체 표면을 긁어 선을 그린다. 이 기술은 반도체 칩 표면에 잘못 연결된 도체 선을 끊어 회로를 고치거나 감광재료의 일부분을 긁어서 없애는데 사용한다. 다른 하나인 나노산화는 도체로 만들어진 AFM 탐침으로 전기를 흘려 특정 반도체 표면을 산화시키는 기술로 특정 영역만을 산화된 반도체로 덮어 표면의 일부를 감광재료로 덮는 과정을 대신한다. 나노크기로 가공된 반도체는 그렇지 않은 반도체보다 더 나은 성능을 발휘한다.
최근에는 AFM을 이용한 새로운 리소그래피 기술이 개발돼 주목을 받았다. 일명 ‘나노펜 기술’로 AFM 탐침을 펜으로 삼아 화학이나 생화학물질 용액 잉크를 찍어서 고체표면에 글씨를 쓰거나 선을 그리는 기술이다. 마치 가정에서 많이 쓰는 프린터처럼 종이 대신에 반도체 같은 고체표면에 인쇄를 한다고 생각하면 된다.
또한 AFM은 DNA나 단백질과 같은 생명과학 연구에서 필수 핵심 도구로 사용되고 있다. AFM은 물, 기름과 같은 액체 속에서도 동작해 DNA 구조를 손상시키지 않고도 관찰할 수 있다. 즉 특정 조건에 있는 생명체가 움직이는 상태를 동영상으로 볼 수 있어 상세 관찰이 가능하다. 또한 단백질이 어떤 모양으로 접혀 있는지, 접히는데 얼마나 에너지가 필요한지, 접힌 구조가 단백질의 기능에 어떤 영향을 주는지를 알 수 있다.
이처럼 원자현미경은 다른 어떤 도구가 따라잡기 힘든 다방면에 재능을 가진 만능기기로 나노과학의 강력한 도구가 되고 있다. 경이로운 나노 세계의 눈뿐 아니라 손과 발이 되고 있는 셈이다. 원자현미경으로 영화 속 나노로봇들을 만들 수 있는 날이 곧 오지 않을까? |
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