100조분의 1초까지 본다…'세계 최고' 초고속 전자카메라 개발

레이저 앤드 포토닉스 리뷰즈 2월호 표지. /자료=카이스트

국내 연구진이 각종 물질의 움직임을 포착하는 초고속 전자카메라 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올렸다. 그래핀, 페로브스카이트, 신약소재 등 첨단 물질 분석에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

카이스트(KAIST)는 5일 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 한국원자력연구원 초고속 방사선 연구실과 공동연구를 통해 극초단 전자펄스의 타이밍을 10펨토초(1펨토초는 1000조분의 1) 수준의 '안정도'로 측정하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 기존 초고속 전자카메라(전자회절장치) 성능에 비해 약 4배 정도 향상된 수치다. 예컨대 100미터 달리기의 결승선에서 우승자를 가리기위해 초고속카메라로 먼저 도착한 이를 프레임 단위로 가려내는 것처럼머 전자펄스의 관찰단위를 100조분의 1초까지 세분화해 정밀하게 볼수 있다는 의미다.

극초단 전자펄스를 기반으로 한 회절 분석 기법(UED)은 측정하려는 물질에 전자펄스를 조사(비춤)한 뒤 나타나는 회절 패턴을 통해 시료의 특성을 분석하는 기법이다. 태양광 소자, 차세대 전기·전자 소재 개발 등 첨단산업 분야 연구에 활용되고 있다.

그래핀 같은 2차원 물질이나 기체는 전자를 조사했을 때 회절된 이미지가 매우 약해 반복적인 관찰이 필요하다. 관측시간을 안정적으로 확보하는 게 중요한 이유다.

/자료=카이스트

연구팀은 '테라페르츠파 스트리킹 기법'을 활용해 물질의 성질을 안정적이고, 오랫동안 관찰할 수 있는 기술을 개발했다. 이를 토대로 초고속 전자 펄스의 타이밍을 5.5펨토초 수준으로 4600초 동안 안정화할 수 있었다.

연구팀은 또 펨토초 수준의 타이밍 안정도를 1시간 이상 유지할 수 있는 원천 기술도 확보했다. 기존에는 측정하기 어려웠던 페로브스카이트 등 태양광 소자들도 더 정밀하게 측정할 수 있을 것으로 기대된다.

김정원 교수는 "지속적으로 이루어지고 있는 전자 펄스의 타이밍 안정도 개선과 초고속 전자카메라의 성능 향상이 다양한 태양광 소재 개발이나 전자구름 관측 등 차세대 기초 및 산업 연구 수요를 맞출 수 있을 것"이라고 전망했다.


이번 성과는 국제학술지 '레이저 앤드 포토닉스 리뷰즈'(Laser & Photonics Reviews)의 2월호 표지논문으로 게재됐다.