< 기계공학과 김정원 교수, 나용진 박사(제1저자) >

우리 대학 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 초고속 광학 기술을 이용해 원자힘현미경(AFM, atomic force microscope)의 나노 현미경 바늘이 보이는 복잡한 운동을 머리카락 굵기의 약 200만분의 1에 해당하는 30피코미터(pm) 수준의 열잡음 진동부터 머리카락 굵기의 약 1/3에 해당하는 20마이크로미터(μm) 수준의 큰 비선형 진동까지 실시간으로 추적할 수 있는 기술을 개발했다. 

KAIST 기계공학과 나용진 박사(現 삼성전자)가 제1저자로 참여하고 POSTECH 서준호 교수와의 공동연구로 이루어진 이번 연구 결과는 국제학술지 PhotoniX 10월 6일 字에 게재됐다. (논문명: Frequency comb-based time-domain tracking of AFM cantilever dynamics from picometre-scale noise to micron-scale nonlinear motion)

최근 나노·마이크로 스케일 기계소자의 복잡한 동역학을 정밀하게 계측하려는 수요가 급격히 늘고 있으나, 기존 기술은 감도, 선형성, 측정 대역폭 사이의 근본적인 한계로 인해 열잡음과 같은 초미세 진동과 큰 진폭의 운동을 동시에 관측하는 데 어려움이 있었다. 

< 펨토초 광학 기술로 구현한 AFM 탐침의 나노~마이크로 스케일 동역학 실시간 계측 >

연구팀은 펨토초(femtosecond, 10-15초) 레이저 펄스와 전기광학 샘플링기술을 결합해 이러한 한계를 극복했다. 이를 통해 AFM에서 사용되는 나노현미경 바늘(탐침, cantilever)의 약 30피코미터(pm, 10-12미터) 수준의 열잡음 진동부터 20마이크로미터(μm, 10-6미터) 규모의 큰 비선형 운동까지 단일 장비로 계측하는 데 성공했다. 더 나아가 히스테리시스(hysteresis), 모드 결합(mode coupling), 분기(bifurcation), 과도(transient) 운동 같은 기존에는 규명하기 어려웠던 복잡한 동역학 현상을 실시간으로 포착했으며, 탐침을 다중 모드로 구동해 모드 형상(mode shape)을 복원하는 데에도 성공했다.

이 기술은 나노기계소자의 정밀 계측 및 최적화를 가능하게 하며, 향후 AFM 바늘의 성능 향상과 고해상도 힘 센싱, 나노소재와 소자 특성 분석의 정밀도 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 더 나아가 비선형 및 과도 동역학의 실시간 규명을 통해 생화학적 센싱, 정밀 계측, 나노역학 연구 전반에 새로운 응용 가능성을 열어줄 것으로 전망된다.

김정원 KAIST 교수는 “이번 연구는 기존 기술로는 볼 수 없었던 탐침의 복잡한 동역학을 실시간으로 계측할 수 있는 기반을 마련했다”며 “향후 AFM과 나노센서 기술의 정밀성과 응용 범위를 크게 넓힐 것”이라고 말했다. 서준호 POSTECH 교수는 “본 연구의 광대역 초정밀 광계측 기술은 펄스 기반 광역학계 양자기술 연구에도 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다.

출처 : https://researchnews.kaist.ac.kr/researchnews/html/news/?mode=V&mng_no=52930