일반 현미경으로도 보기 어려운 작은 크기 물질의 온도 변화를 측정하는 기술이 나왔다. 미세 물질의 열역학적 특징은 첨단소재 개발에 중요한 요소이지만 기술적 한계로 측정이 어려웠던 분야다. 이차전지, 디스플레이를 비롯한 첨단 소자 개발에 활용할 수 있을 전망이다.
권오훈 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수가 이끄는 연구진은 나노미터(㎚) 수준의 시료 온도를 측정할 수 있는 '나노온도계'를 개발했다고 22일 밝혔다.
투과 전자 현미경은 짧은 파장의 전자빔을 미세 시료에 투과해 시료를 파괴하지 않고도 내부의 미세 구조를 관찰하는 장치다. 최근에는 단순히 현미경으로 구조를 보는 것을 뛰어넘어 물리적 특성을 파악하려는 시도도 있다. 대표적으로 발광 분광 기법은 전자가 시료를 통과할 때 상호작용으로 발생하는 빛을 통해 시료의 특성을 측정하는 기술이다.
이같은 기술은 첨단 소재 연구에 주로 활용된다. 외부에서 작용한 힘에 의해 시료의 구조와 화학적 특징이 변하면서 미세 온도 변화가 나타나는 데 이런 특성이 소자의 안정성과 성능에 영향을 미치기 때문이다. 그러나 미세 구조의 온도 측정 기술은 현재로서는 정확도가 낮은 편이다.
권 교수는 "투과 전자 현미경 내부는 높은 수준의 진공상태로 미세 영역의 온도를 관측하는 것은 몹시 어려운 일"이라며 "시료의 크기가 워낙 작은 것도 한계점"이라고 설명했다.
연구진은 이같은 문제를 해결하기 위해 나노 구조의 온도 변화를 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 작은 온도 변화에 민감한 유로퓸(Eu) 이온을 활용해 온도 측정 해상도를 끌어 올렸다. 유로퓸 이온은 온도에 따라 전자의 흐름인 음극선의 세기가 달라지는 데, 이를 온도 측정에 적용한 것이다.
연구진은 가돌리늄 산화물에 유로퓸 이온을 첨가한 나노 입자를 만들었다. 가돌리늄 산화물로 만든 나노입자는 전자빔에 의한 손상이 적어 장기간의 실험이 가능하다는 장점이 있다.
이렇게 만들어진 나노입자에서 나오는 음극선의 세기를 측정해 온도에 따른 변화율을 측정했다. 그 결과 음극선 발광 띠의 강도가 온도 변화에 민감하게 반응하는 것으로 나타났다.
연구진은 약 100㎚ 크기의 나노입자를 이용해 온도계를 만들고 인근 공간의 온도를 측정하는 데 성공했다. 오차 범위는 섭씨 4도로 비교적 컸으나 투과 전자 현미경 온도 측정법과 비교하면 2배 이상 정확한 성능이다.
실제로 투과 전자 현미경 내부에서 레이저를 이용해 온도 변화를 만든 후 나노온도계로 온도 측정이 가능하다는 것도 확인했다. 시료의 미세 구조와 외부 자극에 의해 실시간으로 변하는 온도를 동시에 관찰할 수 있다는 의미다.
이번 연구에 참여한 박원우 연구원은 "나노온도계의 큰 강점은 온도 측정 과정이 기존의 투과 전자 현미경 분석을 방해하지 않는다는 점"이라며 "투과 전자빔과 나노온도계 입자 사이의 상호작용으로 발생하는 빛을 이용하기 때문에 투과 전자 현미경의 이미지 측정과 동시에 실시간 온도 검출이 가능하다"고 설명했다.
권 교수는 "체계적인 분석을 통해 온도 측정의 지표를 제시하고 실시간 이미징 기법과 접목했다"며 "이차전지, 디스플레이의 성능을 개선할 첨단소재 개발에 크게 기여할 것이다"라고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 'ACS 나노'에 지난달 30일 소개됐다.
참고자료
ACS Nano, DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.3c10020