박우성 숙명여대 교수, 전자빔의 에너지 변환 메커니즘 세계 최초 규명

전자 투시 현미경에 적용 가능한 초정밀 열량계 개발

美 스탠포드대 공동연구팀과 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스' 게재

숙명여대(총장 장윤금)는 박우성 기계시스템학부 교수 연구팀이 전자가 빛에 가까운 속도로 움직일 때 물질을 투사하면서 생기는 발열의 원리를 세계 최초로 밝혔다고 6일 밝혔다. 이는 전자 투사 현미경을 통한 관찰의 정확성을 높여 다양한 소재의 재료 연구에 널리 쓰일 것으로 기대된다.

박우성 교수에 따르면 전자 투사 현미경을 사용할 때 발생하는 전자빔의 에너지는 관찰 대상에 전달되는 과정에서 온도를 국소적으로 향상시켜 재료의 구조와 성질 변화를 야기시키기 때문에 물질의 정확한 관찰을 방해한다. 이에 전자빔으로부터 재료로 전달되는 에너지의 정확한 측정과 전달 매커니즘에 대한 이해가 반드시 필요하다.

이에 박 교수와 미국 스탠포드대 박준석 박사, 배기호 박사, 김태호 박사, Goodson 교수 공동 연구팀은 전자빔 투과 시 생성되는 발열량을 측정하기 위한 초정밀 열량계를 개발했다.

이를 활용해 전자 투시 현미경에서 전자빔에 의한 발열량을 정밀하게 측정하고 전자의 에너지 손실 분포도를 측정해 전자가 열로 전환되는 것은 주로 원자 주변의 최외곽 전자와 투사된 전자가 충돌해 에너지가 전달된다는 사실을 밝혔다.

박우성 교수는 "이전에도 전자빔에 의한 발열을 연구하고자 하는 노력이 있어왔지만 정확도가 부족하고, 재료마다 상이한 차이가 나서 적용이 어려웠다"라며 "이번 연구에서는 접근법을 달리하여 국소 온도 대신 총 발열량을 측정해 에너지 전환 메커니즘을 세계 최초로 규명하는데 성공했다"고 밝혔다.

이번 연구를 통해 전자 에너지 손실 분포 측정법 EELS(Electron Energy Loss Spectroscopy)로 발열을 예측하는 것이 가능해져 전자 투사 현미경 내에서 다양한 온도 시험이 가능하게 됐다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 국제 저명 학술지인 '어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)'에 지난해 12월 21일자로 게재됐다.