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새로운 전자현미경 STM은 물질의 표면구조를 원자크기 수준에서 밝혀준다. 이 현미경을 발명한공로로 '비니히'와 '로러'는 금년도 노벨물리학상을 수상했다. 이 글은 이들이 'Scientific American'(1985.8)과 'IBM Journal of Research and Development'(1986.11)에 기고한 논문을 요약한 것이다.

유명한 물리학자‘파울리’(Wolfgang Pauli)는 "표면이라는 것은 악마가 만들어낸 것임에 틀림없다."고 한탄한 적이 있다.‘파울리’의 한탄은 고체 표면이 외계와의 경계로서 존재한다는 단순한 이유에서였지만, 현대의 물리학에 있어서도 다른 의미로 표면이라는 것은 어려운 연구과제이다.

표면 해명의 난제

고체 내부의 원자는 다른 원자들로 둘러싸여 있다. 그러나 표면의 원자는 표면에 있는 다른 원자와 표면 바로 위의 원자 그리고 표면 바로 아래의 원자하고 밖에는 상호작용을 하지 않는다. 따라서 고체표면의 성질은 내부와는 근본적으로 다른 것이다. 그러한 예로서 표면의 원자는 표면이 가진 에너지를 최소화하기 위해 여러 차례에 걸쳐 내부 원자의 배열과는 다른 배열을 가지려고 한다. 이 때문에 표면의 구조는 더욱 복합하게 되어 그 구조를 실험적으로 또 이론적으로 정확히 해명해내는 일은 오랫동안 불가능했었다.

IBM사의 쮜리히 연구소에서 우리들은 표면 구조의 이러한 복잡함을 수량적으로 해명하는 새로운 전자현미경을 개발하였다. 그것이 바로 '주사형 터널링 전자 현미경'(Scanning Tunneling Microscope : STM)이다. 이 현미경은 표면의 원자를 한 개 한개 ‘보는’ 것이 가능하여 원자 크기의 약1백분의 1의 크기까지도 식별해 낸다.

이런 장치는 예를 들어 정밀 전자공업등과도 중요한 관련을 가지고 있다. 컴퓨터를 구성하는 실리콘 칩은 크기를 축소함에 따라 체적에 대한 표면적의 비율이 급격히 커진다. 이 때문에 칩 자체의 동작과 다른 논리소자와의 상호관련이라는 측면에서 볼때 표면은 더욱 더 중요하게 부각된다. 또한 STM은 그밖에도 물리 화학 및 생물학적 여러 현상들을 해명하는 데도 크게 공헌하리라 믿는다.

현미경의 역사

STM 역시 오랜 동안의 진화 과정을 거쳐 태어났다. 현미경의 역사는 단순한 확대경으로 곤충 등을 관찰하였던 15세기로 거슬러 올라간다. 17세기 말에는 '레벤후크'(Antony van Leeuwenhoek)가 광학 현미경을 개발하여 단세포 및 세균의 존재를 밝혀냈다. 광학 현미경은 그 후 고도의 개량을 거듭하여 넓은응용범위를 가지게 되었다.

그러나 광학 현미경은 원자 수준의 구조는 볼 수가 없다는 물리적 제약이 있다. 그 이유는 가시광선의 평균적인 파장이 대표적인 원자의 직경인 3A(A :옹스트롬, 1억분의 1cm) 보다 2천배 이상 길기 때문이다. 바꾸어 말하자면 가시광선으로 원자의 구조를 보려고 하는 것은 테니스 공을 던져 지면에 있는 머리카락 굵기의 틈 사이로 집어넣으려는 노력에 비유할 수 있다.

원자의 구조를 탐색하는 것이 처음으로 가능했던 것은, 빛이라는 어떤 종류의 에너지가 입자와 파동의 두가지 성질을 모두 가진다는 양자역학적 발견이 있고 나서였다. 1927년 벨 연구소의 '데이비슨'과 '가머'는 전자의 파동성을 확인하고, 고에너지의 전자의 파장이 저에너지의 전자의 파장보다 짧다는 사실을 발견했다. 이것은 즉 에너지를 충분히 얻는다면 전자는 원자의 직경과 거의 같은 파장을 가지게 된다는 것이다. 이 사실이 전자 현미경 발명의 실마리가 되었다.

여기서 개발된 것이 반사식 전자 현미경(SEM)과 투과식 전자 현미경(TEM)이다. TEM은 분해능(分解能)이 좋아 광학 현미경으로는 도저히 볼 수 없었던 결정막 내의 원자의 배열과 원자 궤도까지도 관찰할 수 있었다.

전자 현미경이 이렇게 높은 분해능을 가지게 되었는데 왜 새로운 현미경이 필요하게 되었을까. 확실히 전자 현미경은 결정체 내부의 모습을 관찰하는 데는 큰 성공을 거두었지만, 몇몇 특수한 경우를 제외하고는 물질의 표면 구조를 볼 수가 없었기 때문이다. 고속 전자는 물질내에 깊이 침투하기 때문에 표면의 구조는 전혀 볼 수가 없고, 또 저속 전자는 시료내의 전기장 또는 자기장에 의해 쉽게 휘어진다.

터널현상을 이용

STM은 이러한 문제를 해결하였다.STM과 다른 모든 현미경과의 결정적인 차이점은 '자유입자를 사용하지 않는다'는 점이다. 이 때문에 STM은 렌즈 혹은 특수한 광원이나 전자빔 발생 장치를 필요로 하지 않는다. 그 대신 조사하고자 하는 시료내에 묶여있는 전자가 유일한 방사원이 된다.

이 작동원리를 이해하려면 '시료의 표면에 묶여있는 전자는 기슭으로 둘러싸인 호수와 같은것'이라고생각하면 좋을 것이다. 호수가 주변의 토지로 스며나와 지하수가 되는 것처럼, 시료표면의 전자의 일부가 새어나와 시료 주변에 전자구름을 형성한다.

고전 물리학에 의하면 입자는 표면이라는 뚜렷한 경계에서는 반사되기 때문에 외부에 전자구름을 형성하지 않는다. 그러나 양자역학에서는 각 전자는 파동과 같이 행동하여 그 위치가 분명하지 않다. 표면 밖에서 전자가 존재하는 이유는 바로 이 때문이다. 단 전도체 밖에서 전자를 볼 확률은 표면으로부터의 거리가 멀어질수록 지수함수적으로 급격히 감소한다. 이 경우 전자는 표면이라는 경계에 터널을 파서 빠져나오기 때문에 흔히 '터널 현상'이라고 부른다.

터널 현상을 처음 실험적으로 입증한 사람은 1960년대 초 '제네랄 일렉트릭사'의 '기에바'(I. Giaever)이다. 그는 얇고 단단한 절연막을 두개의 금속 전극 사이에 두고 양쪽 전극면 사이에서 스며나오는 전자구름이 겨우 겹쳐지도록 전극의 간극을 띄었다. 이러한 상태에서 양 전극에 전압을 걸면 전자는 한쪽 전극에서 다른 전극으로 겹쳐진 전자구름을 통해 흐르게 된다. 이것은 마치 고지대와 저지대에 각각 호수가 있고 그 두개의 호수를 연결하는 지하수의 흐름과도 같다.
 

터널 전류의 감도로 원자 위치 측정

우리들이 개발한 STM은 이러한 기본적인 터널 현상의 메카니즘에 몇가지의 변경을 가한 것이다. 즉 조사하려는 시료자체를 하나의 전극으로 하고, 다른 한쪽의 전극은 예리한 탐색침(Probe)으로 하였다.

표면을 주사하기 위해서는 양쪽의 전자구름이 서로 닿아서 겹쳐질 때까지 침과 시료를 근접시킨다. 이 때 침과 시료 사이에 전압을 걸면 전자는 좁은 간극 사이의 전자구름을 통해 흐른다. 이 흐름을 '터널 전류'라 부른다. 터널 전류는 침과 시료표면 사이의 거리에 극히 민감하게 반응한다. 가령 원자 1개의 직경만큼 거리가 변하면 터널전류는 약 1천배 이상 변한다.

따라서 터널 전류의 감도를 이용하면 시료 표면의 원자의 위치를 정밀하게 측정할 수 있다. 즉 이 터널 전류를 피드백 장치로 일정하게 유지하면서 침의 움직임을 해독하여 컴퓨터로 처리하는 것이다.

STM으로 측정할 때 부딪치는 극복되어야 할 문제점들은 첫째 탐색침의 끝부분을 고도로 예리하게 하는것과, 둘째 터널 부분에서의 물리적 화학적 안정성을 유지하는 것이다. 또한 터널간극의 폭을 기계적으로 안전하게 유지하는 장치가 필수적으로 요구 된다.

탐색침의 끝을 예리하게 하는 것은 측방향 해상도를 결정하는 요소이며, 터널 간극의 안정 유지는 수직 방향 해상도를 높이는데 중요하다.
탐색침의 재질은 예전에는 스테인레스 스틸, 금, 이리듐 등이 쓰였으나 현재는 보통 텅스텐, 철사를 뾰족하게 갈거나 부식시켜 사용한다.
 

시료와의 거리는 1천만분의 1㎝

침과 표면의 간극을 10A이하로 유지하면서 시료면 상의 침을 0.1A 이상의 정밀도로 안정하게 이동시키는 것이 STM 동작의 가장 중요한 관건이 된다. 이를 위해서는 우선 공기중의 소리나 건물 안에서 사람이 걸어다닐 때 발생하는 진동 등으로부터 현미경 장치를 차폐시키지 않으면  안된다.

우리들이 만든 장치는 이러한 문제들을 해결하였다. 터널 현상을 일으키는 간극을 진동으로부터 보호하기 위하여 스테인레스 스틸로 된 원통형의 외곽 테두리로부터 나온 3개의 스프링이 2단계의 받 침대를 지탱하고 있다. 1단계 2단계의 받침대는 각각 삼각형 골조로 된 유리봉으로 구성되며 각각은 또 3개의 스프링으로 지탱된다. 2단계 받침대에 현미경의 심장부인 시료와 탐색침이 얹혀지게 된다.

현미경 전체를 진공 속에 두면 공기저항이 최소화된다. 또 진동을 제거하기 위하여는 '와전류(渦電流)' 현상을 이용한 장치를 사용한다. 받침대에 있는 6개의 유리봉에는 동판이 부착되어 있는데 이것은 스테인레스 스틸 테두리에 붙어있는 자석 사이에서 미끄럼 운동을 한다. 동판이 상하로 움직이면 자기장에 의해 구리속의 전도전자가 움직이게 되어 와전류가 유출된다.이 와전류와 장기장 사이에는 동판의 움직임을 방해하는 방향으로 힘이 작용하여 결국 현미경은 아주 작은 진동도 제거하게 된다.

탐색침을 움직이는 구동장치는 압전재료 즉 전압이 가해지면 신축하는 물질로 된 삼각평판으로 되어있다. 이것은 다음과 같이 동작한다. 삼각대 중의 다리 하나를 고정시키고 압전판에 전압을 걸어주었다고 하자. 그러면 그 전압판은 축소되고 다른 2개의 다리는 약간 움직인다. 이어서 처음의 다리를 떼어내고 나머지 2개의 다리를 금속판에 고정시킨채 압전판의 전압을 내리면 판은 원래의 크기로 늘어나면서 구도장치는 1동작을 하게 된다. 이 동작의 크기는 1백A에서 1천A까지 조절할 수 있다. 또 구동장치는 각각의 다리를 중심으로 회전할 수 있어 어느 방향으로든 움직일 수 있다.

시료면에서의 주사(走査)는 다음과 같이 한다. 탐색침의 끝부분을 움직이는 것은 압전재료로 된 3개의 막대이다. 하나의 막대에 전압을 가하여 신축시키면 다른 2개는 약간 휘어진다. 이 동작을 반복하면 침을 1만A 이상 움직이게 할 수 있다. 이 움지임은 가해지는 전압에 극히 민감하여 0.1Ⅴ정도의 전압으로 1.0A이 움직인다. 이러한 주사장치는 대단히 정밀해서 현재 수백분의 1A 정도의 분해능이 얻어질 수 있다.

원자의 배열을 본다

우리들은 STM의 응용례로서 균일한 표면 구조를 가진 단결정의 형상을 조사한 바가 있다. 결정의 내부는 같은 원자층이 겹겹이 쌓여 있는 것이 이미 알려져 있다. 그러나 산란실험에 의해 조사한 바로는 최상층은 내부층보다 훨씬 복잡하여 그 구조를 정확히 해명하는 것은 대단히 어려운 일이었다.

현재 STM을 이용해 표면구조가 밝혀진 단결정은 실리콘과 금이다. 실리콘의 결정은 다이아몬드 모양의 단위격자이다. 격자의 네변은 모두 원자간극의 7배이기 때문에 7×7구조라고 부른다. 7×7구조에는 12개의 융기가 있는데 지금까지 이 융기를 실제로 관찰한 적은 없었다. 각 융기는 분명히 단일 원자에 대응하고 있다.

표면구조가 밝혀진 또 하나의 결정은 금이다. 금의 결정을 원자층과 평행한 방향으로 절단하면 그 절단면은 매끄럽지만 원자층에 비스듬히 절단하면 그 절단면이 거칠다는 것을 발견하였다.

물리학 영역을 새롭게 열었던 초전도의 연구에도 STM이 응용될 수 있다.초전도체의 특징은 전기저항이 전혀 없게 되는 것이다. 예컨대 초전도체로 된 케이블을 사용하면 전력손실이 없어지므로 막대한 에너지를 절약할 수 있다. 실제로 '퀘이트'(C.Quate)가 이끄는 스탠퍼드 대학의 연구진들은 저온에서 높은 효율로 움직이는 STM을 개발하였다. 그들은 이 현미경을 사용하여 극저온에서 어떤 전도체의 표면을 관찰하였다. 그 결과 그들은 전도체의 표면에서 초전도 영역이 커짐을 발견하였다.

생물학과 마찰 연구에 신기원

지금까지 설명한 응용례들은 모두 1A의 몇분의 1크기의 구조를 결정하는 현미경의 특징을 보이기 위한 것이었다. 그러나 이러한 고분해능이 무턱대고 요구되는 것은 아니다. STM의 분해능이 수십A만 되어도 새로운 사실들이 많이 밝혀져 뚜렷한 진보를 가져올 것이다. 특히 정상 기압하의 공기중에서 STM을 작동할 수 있다면 그 폭넓은 응용가능성은 분해능의 저하를 보상하고도 남을 것이다.

이러한 응용의 한 예가 마찰 연구에서 보여진다. 마찰에 의한 에너지 손실을 감소 시키기 위해 연구자들은 공업재료 표면의 거친 구조와 그 원인을 상세히 규명하려고 노력해왔는데, 최근의 연구는 STM이 이일에 이상적이리만큼 적당하다는 것을 입증해 주고있다.

우리들은 STM이 생물학의 분야에서도 대단히 유용하다는 사실을 알아냈다. 생물학에 응용할경우 비교적 낮은 분해능으로도 생물시료를 직접적으로 또 비파괴적으로 관찰할 수 있다는 것은 큰 매력이 아닐수 없다.

어떤 의미에서는 다른 모든 현미경들은 초점 부근의 시료를 파괴하고 있다. 예를 들면 종래의 전자 현미경은 시료를 얇은 금속막으로 싸야하고 진공 속에서 조사하기 때문에 시료의 상태를 나쁘게 할 수있다.

실제로 우리들은 IBM 쮜리히 연구소의 '커텐스'(E.Courtens) 등의 협력을 얻어STM으로 DNA의 표면을 주사하여 나선구조에 대응하는 일련의 지그재그 모양을 관찰 할 수 있었다.

우리들은 또 파이29라는 바이러스의 머리의 크기가 400×300×200A이라는 사실을 밝혀냈다. 또 이 바이러스의 감염과정에서 중요한 역할을 하는 '칼라'(바이러스의 머리와 꼬리의 연결부분)의 결합구조도 해명 하였으며, 화상처리에 의해 얻어진 전자현미경 상과도 일치함을 밝혀냈다.

화상으로 보여준다는 것을 떠나서도 탐색침을 전자회로의 시험에 응용하는 것이 가능할 것이다. 회로의 각 부분은 크기가 작고 연속돼 있어 이를 시험할 탐색자도 언제나 소형화되지 않으면 안된다. 따라서 국부전압을 재는 탐색자로서 또 전류를 공급하는 극소전극으로서 역할을 할 것으로 기대된다.

지금까지 설명한 응용례는 '영상과정에서 대상물을 파괴하기 않는다'는 중요한 공통점을 갖고 있지만, 특정한 화학반응에 박차를 가하는 도구로서도 응용될 수 있다.

STM의 두드러진 특징은 고도로 집중된 저에너지 전자빔 즉 터널전류를 이용한다는 것이다. 이 에너지는 대부분의 화학반응의 에너지 범위내에 있기 때문에 빔을 어떤 특정한 에너지에 맞춰주면 특정한 반응만을 일으키게 할 수 있다. STM의 이러한 새로운 사용방법과 그 밖의 우수한 특질을 살려 나간다면 모든 연구분야에 그야말로 무한한 가능성을 열어줄 것으로 보인다.