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테크노 포커스
물질, 원자 레벨에서 입체파악
히타치 하이테크, 전자현미경 기술 개발

히타치 하이테크놀로지(Hitachi High-Technologies)는 원자 레벨에서 물체를 입체적으로 파악할 수 있는 전자현미경 기술을 개발했다. 2017년 봄에 발매하는 신제품에 탑재한다. 물질이 원자 레벨에서 변화하는 모습을 상세히 파악할 수 있고, 새로운 전자재료의 연구개발과 평가에 활용할 수 있다고 한다. 전자현미경을 이용한 연구에 새로운 세계가 열리는 것이 된다.

“전자현미경의 상식을 벗어난 발상이었다.” 히타치 하이테크에서 전자현미경의 설계∙개발을 주도한 이나다 주임기사는, 2차 전지의 관찰상에서 원자 한 개씩을 식별하는 수법을 미국 브룩헤이븐(Brookhaven)국립연구소와 공동 개발했다. 이 연구에서, 2010년에는 미국현미경학회지의 기술혁신상을 수상하고 있다.

전자현미경에는 크게 나누면 두 종류의 관측법이 있다. 한 가지는 전자선이 물질에 닿았을 때에 발생하는「2차전지」를 관측하고 화상화하는 방법이다. 통상의 사진처럼 물체표면의 상황을 파악한다. 나머지 한 가지는 물체를 투과한 전자를 검출하는「투과식」이라 불리는 방법이다. 뢴트겐 사진과 같이 물체의 내부의 모습을 파악할 수 있다.

전자현미경에서는 물체의 표면과 내부의 양쪽의 화상을 겹치는 것으로 물체의 위치관계를 표현하고, 입체적인 파악이 하기 쉬운 화상을 얻을 수 있다. 표면의 절반이 비쳐서 내부를 관찰할 수 있기 때문이다.

단, 2차 전지를 관측하는 방법에서는 분해능은 약 0.5나노미터로, 원자 레벨까지의 분해능을 가능하게 하는 것은 어려웠다. “2차 전지로 원자 한 개를 식별할 수 있도록 된 것은 누구도 생각하지 못했다.” 라고 이나다 씨는 말한다.

이것을 크게 바꾼 것이, 현행기종부터 탑재되고 있는「Cs Corrector(구면수차 보정 장치)」이다. 자장으로 전자선을 가늘게 하고, 분해능을 높이는 기구이다. 이나다 씨는, 이 기구를 갖춘 현행기의 가능성에 착목했다. 2차 전지의 상에서도 원자 레벨의 관측이 가능하다는 것을 보여주었다.

현재 개발 중인 올해 봄에 발매할 예정의 차세대 기종「HF5000」은, 이 연구결과를 제품개발의 단계부터 도입한 첫 제품이 된다.

그 강점을 최대한 활용하기 위해, 다른 현행기종의 기술을 융합했다. 열과 가스가 있는 환경에서의「그 장소 관찰」에 대한 대응이다. “기존에, 전자현미경은 정지상태에서의 관측에 사용되었지만, 지금은 실동작을 관찰하고 싶다고 하는 요구가 증가하고 있다. (이나다 씨)라고 한다. 이 전자현미경은 전자선의 가속전압이 높은 것이 특징이다. 그 만큼, 단시간에 촬영이 가능하고, TV 수준의「동영상」촬영이 가능하다.

2기종의 강점을 취하고, 차세대 기종에서는 원자 레벨의 물질의 움직임을 실동작에 가까운 상태로 관찰할 수 있을 가능성이 있다. 구체적으로 무엇에 응용할 수 있는 가. 이나다 씨가 꼽은 것은, 예를 들어, 물질의 변화를 촉진시키는 촉매의 연구이다. 열과 가스가 있는 상황에서, 원자 레벨에서 물질과 물질이 어떻게 반응을 하는지를 관측하고, 보다 좋은 효율의 물질 등의 발견으로 이어질 가능성이 있다. “촉매의 입자가 다른 물질에 어떻게 들어가는지를 이해하기 쉽다.” (이나다 씨)

예를 들어 전압을 가한 상태로 원자 레벨에서 어떻게 변화가 일어나는 가와 같은 평가를 하는 것도 가능하다. 나노테크놀로지의 진화를 지탱하는 전자현미경이 어떻게 활용되어 가는가, 앞으로 기대가 높아진다.

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