연구성과

물리 송창용 교수팀, 하나보다는 둘, 데이터도 이제는 팀 케미스트리

2023-11-28 170

[송창용 교수팀, 다중 촬영법으로 나노 입자 3차원 기공 구조 촬영 성공]

최근 막을 내린 한국시리즈 결과가 말해주듯 팀 스포츠에서는 개인의 뛰어난 역량보다 팀워크(teamwork)가 중요하다. 책 <팀 케미스트리(Team Chemistry)> 저자인 조앤 라이언은 팀워크를 ‘팀 전력을 끌어올리는 보이지 않는 능력’이라고 말한다. 최근 POSTECH 연구팀은 데이터들의 팀 케미스트리를 통해 기존 연구의 한계를 극복했다.

물리학과 송창용 교수 · 통합과정 이성윤 · 조도형 박사, 신소재공학과 송승찬 씨 연구팀은 다중거리 촬영법으로 다공성 입자의 3차원 기공(구멍) 구조를 선명하게 촬영하는 데 성공했다. 이번 연구는 소재 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 게재됐다.

메조 다공성(mesoporous) 나노 입자는 표면에 2~50 나노미터 크기의 다양한 기공을 갖고 있다. 이 입자는 표면적이 매우 커 기체나 액체, 중금속을 흡착하는 데 매우 유리하며, 다양한 기능성 소재를 구현하는 플랫폼으로서 주목받고 있다. 입자의 3차원 기공 구조는 소재 성능을 결정하는 핵심 요소로 기능성 소재를 설계하기 위해서는 그 구조를 정확하게 촬영하고, 면밀하게 분석해야 한다.

그런데, 기존 방법으로는 다공성 나노 입자의 3차원 구조를 선명하게 촬영하기 어렵다. 일반적인 X선 촬영은 해상도가 높은 이미지를 얻기 어려우며, 빛 대신 전자를 사용하는 투과전자현미경은 두께가 얇은 시료에 특화되어 있어 두꺼운 시료를 촬영하는 데 적합하지 않다.

연구팀은 X선 회절 패턴 촬영법의 해상도를 높이는 데 집중했다. 3차원 구조를 선명하게 촬영하기 위해 연구팀은 측정 거리를 다르게 하여 X선 회절 데이터를 두 번 수집했다. 짧은 거리에서 수집한 데이터는 물체의 세부적인 구조에 대한 정보를 포함하고 있으며, 먼 거리에서 수집한 데이터는 물체의 형태에 대한 정보가 담겨 있다. 한 번의 촬영으로 수집된 정보가 제한적이었던 기존 촬영법과 달리 여러 X선 회절 패턴을 수집한 후, 알고리즘을 통해 3차원 기공 구조로 재구성했다.

연구팀은 이 기법으로 메조 다공성 이산화규소(SiO2) 입자의 3차원 기공 구조를 13 나노미터 해상도로 촬영하는 데 성공했다. 기공 구조를 고해상도로 분석하고, 이를 바탕으로 우수한 기능성 소재 개발을 위한 설계가 가능해진 것이다.


연구를 이끈 송창용 교수는 “고해상도 이미지는 다공성 입자 구조와 기능 간 상관관계를 파악하는 데 반드시 필요한 정보”며, “이번 연구를 바탕으로 다양한 성능을 가진 기능성 소재 개발이 가능할 것이다”라는 말을 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업, 국제화기반조성사업, 나노및소재기술 개발사업 지원으로 수행됐다.