배터리나 반도체 물질 내 전자밀도를 3차원 영상으로 측정할 수 있는 기술이 개발되며 나노CT의 오랜 난제가 해결될 것으로 기대된다.
포항가속기연구소(소장 강흥식)는 임준 박사팀(방사광응용팀)이 박용근 KAIST 물리학과 교수팀(이겨레 박사)과 공동연구로 시료의 3차원 전자밀도를 빠르게 측정하는 엑스선 정량 위상 나노CT 기술 개발에 성공했다고 12일 밝혔다.
엑스선 나노CT는 방사광 광원을 활용해 시료의 3차원 영상을 얻는 기술이다. 원리는 의료용 CT와 같지만 해상도가 수십 나노미터 수준까지 낮은 엑스선을 이용해 배터리, 반도체, 세라믹 등 나노소재의 3차원 구조 분석에 널리 활용된다.
나노 CT로 미세 구조를 관측하기 위해서는 엑스선의 흡수뿐만 아니라 위상(phase) 측정이 필수적이다. 현재 대표적으로 사용되고 있는 엑스선 위상 측정 방식은 시료를 다양한 위치에서 측정해야 하므로 기계적인 정밀도에 의해 영상의 품질이 제한되는 문제가 있다. 또 측정에 오랜 시간이 걸린다는 한계가 따른다.
[KAIS 박용근 교수팀과 포항가속기연구소가 개발한 기술로 시료 샘플을 촬영]
연구팀은 포항가속기에서 운영되는 엑스선 나노 CT 장비에 간단한 컷오프 필터를 도입, 아이디어를 구현했다. 기존의 방법에서 획기적으로 간소화된 엑스선 위상 측정방법을 개발하고 이를 나노CT에 도입했다. 이를 통해 단 한 번의 측정으로 시료의 위상을 정량적으로 추출하고 시료 위치 변경 없이 시료의 3차원 전자밀도를 빠르게 측정했다. 이처럼 빠른 3차원 전자밀도 측정은 기존 기술로는 불가능했다. 특히 배터리 충·방전 시 내부 전자 분포 변화 관찰에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 "개발한 나노CT 기술은 3차원 전자밀도를 측정할 수 있으면서도 기존 기술과 구성이 거의 동일하여 전 세계 많은 가속기 엑스선 광원에서 쉽게 재현되어, 반도체, 배터리, 디스플레이 등 다양한 나노소재의 3차원 구조 및 물성 분석에 활용될 것"이라고 강조했다.
이번 연구는 한국연구재단 리더연구사업과 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다. 이번 성과는 광학 및 광자학의 국제학술지 옵티카에 지난 9일 게재됐다.