빛의 크기-움직임까지 본다…‘벡터장 나노 현미경’ 첫 개발

탐침 끝에 달린 금속 나노 입자를 통해 프리즘을 통과한 빛을 산란시켜 이를 편광판을 통해 촬영한 뒤 분석하면 빛의 크기와 전기적 방향을 관찰할 수 있다.

기존 현미경의 성능을 크게 개선해 빛의 크기와 움직임을 동시에 관찰할 수 있는 새로운 개념의 현미경을 국내 연구진이 개발했다.

서울대 물리천문학부 김대식(사진) 교수팀은 고려대 박규환(물리학) 교수와 함께 빛의 전자기파를 이미지화할 수 있는 ‘벡터장 현미경’을 세계 최초로 개발했다고 21일 밝혔다.

19세기 말 영국 과학자 맥스웰은 빛이 크기와 방향을 가진 전자기파라는 사실을 입증했지만 기존 현미경으로는 빛의 밝고 어두운 정도만 측정할 수 있을 뿐 전자기파의 방향을 직접 확인할 수 있는 방법이 없었다.

하지만 김 교수팀은 좁은 부위의 빛을 흡수해 영상화시키는 근접장 현미경의 탐침 끝에 nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 단위의 금속 나노 입자를 붙인 ‘기능성 탐침’을 사용해 이를 해결했다.

빛을 받은 기능성 탐침의 나노 입자가 산란시킨 빛의 신호를 편광판을 통해 촬영한 후 분석해 빛의 크기와 전기적 방향(벡터적 성격)을 알아낸 것.

김 교수는 “1년 6개월여의 연구를 통해 개발한 벡터장 현미경은 실험실에서 광범위하게 쓰이게 될 것”이라며 “지금까지는 프리즘과 금속 표면에서 빛의 전기장을 관찰했지만 앞으로 생물체를 영상화할 수 있도록 개량하면 더 많은 정보를 얻을 수 있다”고 말했다.

서울대 국양 연구처장은 “새로 개발된 현미경을 이용하면 앞으로 물리학·화학·생명공학 등의 과학기술 전반에 걸쳐 응용분야가 무궁무진할 것”이라고 전망했다.

김 교수팀의 논문은 내년 1월 발간되는 광학 분야의 국제 학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 창간호에 게재된다.

장원재 기자 peacechaos@donga.com