[통신일보] 건국대 자연과학대학 나노기술연구센터 임용식 교수(나노전자기계공학과, 초고속레이저연구실) 연구팀은 대표적인 나노물질인 단일벽 탄소나노튜브(CNT)에서 광학기법인 시분해 분광법으로 다양한 나노튜브의 특성(튜브직경 또는 구조)을 실시간으로 분석할 수 있는 기법을 개발했다고 22일 밝혔다.

임 교수 연구팀은 액상으로 조밀하게 밀집된 나노튜브를 빠르게 분석할 수 있는 기법을“Coherent Electronic and Phononic Oscillations in Single-Walled Carbon Nanotubes"라는 제목으로, 미국화학회가 발간하는 세계적 과학저널인 나노레터스(Nano Letters) 최근호에 게재했다. 나노레터스는 나노과학계 최고저널 가운데 하나로 인용지수(IF)가 12.21이다. 임 교수는 이 연구에서 반도체형 탄소나노튜브에서 전자구조의 결맞음성에 기인한 강한 진동신호와, 아울러 수반되는 미세한 격자진동 신호를 처음으로 관측·분석했다.

임 교수팀이 개발한 새로운 나노계측 기술은 펄스폭이 극히 짧은 펨토초(10-15 초) 펄스로 탐사하는 광학기법으로 시료에서 발생하는 미세한 전자적 구조 변화와 원자간 격자진동의 변화를 시간 진행에 따라 투과세기의 변화로(투과율 미소 변화량 ~10-5) 직접 검출하는 레이저 분광법이다.

검출된 탐사광의 세기는 독특한 여러 주파수의 합성으로 표현되는 데, 사용되는 레이저 중심파장을 변화시키면 검출된 진동 주파수(모드)도 민감하게 변한다. 이러한 진동모드들은 시료 내부의 전자 구조의 정보를 반영할 뿐 만 아니라 원자간(격자) 진동에 관한 정보를 담고 있는 데, 탄소나노튜브의 종류에 따라 고유 진동주파수도 달라지고 공명조건에 따라 진동세기도 달라 이를 분석하면 각 튜브 종류에 따라 그 전자 준위와 격자 진동준위(구조)를 거의 완벽하게 추출할 수 있다.

임 교수 연구팀은 유사한 측정기법을 지난 2006년 탄소나노튜브에 적용하여 “Coherent Lattice Vibrations in Micelle-Suspended Single-Walled Carbon Nanotubes"라는 제목으로, 같은 저널에 발표(Nano Lett. 6, 2696, 2006, 약 40회 인용횟수)한 바 있다. 이번 연구에서

는 그 기법을 더 한층 진보시켰으며, 보다 장파장 적외선 파장대역의 펨토초 레이저 광원(공동주저자 포항공대 주태하 교수 연구팀)을 사용하여 레이저 고유의 결맞음성으로부터 파생된 나노튜브의 결맞는 격자진동 뿐 만 아니라, 결맞는 전자적 구조에 기인한 강한 진동주파수 성분들을 추출하여 나노튜브를 분석할 수 있는 기법을 새로이 제시했다.

이러한 새로운 나노물질에 관한 시분해 정밀 계측기법은 기존에 나노물질의 크기나 종류를 구분하기 위한 방법들(전자 및 X선 현미경법, 라만 및 형광 분광측정법)에 비해 독특한 여러 장점을 갖는다.

고밀도 시료에 대해 전처리 과정이나 시료손상 없이 동시 다발로 처리할 수 있는 능력과 높은 분해능을 가지며, 연속적인 파장 변환측정이 어려운 라만 측정이나 금속 나노튜브에서는 측정이 불가한 형광측정법에 비해 큰 차별성을 갖는다. 자외선 파장영역의 펨토초 광원을 이용하면, 에너지띠가 큰 양자 나노 재질이나 생체 내 약효 나노 재질의 거동 등에도 활용될 것으로 예상된다.

이 기법은 최근 연구 기법을 소개하는 Springer Series (2008년, 2010년) 신간서적에서도 비중 있게 다루고 있으며, 탄소나노튜브 연구 분야의 석학인 MIT 대학의 M. S. Dresselhaus나 도후쿠 대학의 R. Saito 교수들의 정기 리뷰 논문에서도 펨토초 펄스를 이용한 새로운 분광기법을 중요하게 취급하고 있다.

임 교수 연구팀은 이러한 계측기법을 적용하여 HiPco (튜브직경= 1 nm), CoMoCAT (직경= 0.8 nm), Arc-discharged CNT (직경= 1.5 nm)에서 나노튜브 종류(형상) 분석 기술개발과 전자-격자 상호작용에 관한 기본 기작에 관한 연구를 국내외 연구팀과 공동으로 수행해 오고 있다. 해외에서는 미국 라이스 대학 Kono 교수와 플로리다 대학 Stanton 교수, 일본 도후쿠 대학 Saito 교수, 국내로는 포항공대 주태하 교수 및 충남대 이기주 교수팀과 공동연구를 하고 있으며, 연구결과들을 나노 과학계 저명 학술지 PHYSICAL REVIEW LETTERS (IF= 7.62), ACS NANO (IF= 9.85), PHYSICAL REVIEW B (IF= 3.77), J. APPLIED PHYSICS (IF= 2.06)등에 잇달아 발표하고 있다.

현재 우리나라가 나노과학기술 분야에서 세계적으로 최상위군의 리더로써 활발한 연구 개발을 수행하고 있지만, 주로 나노 소재를 바탕으로 한 응용 연구에 집중되어 있다. 상대적으로 나노 물질에 관한 계측과 같은 기반 요소기술이 취약한 편인데, 이번과 같은 계측분야의 새로운 기술개발은 상당한 의미를 가지며 향후 응용연구에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.