일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
현미경으로 전자의 움직임 관찰
고효율 촉매 등 원하는 신소재 만들 수 있어

보다 작은 것을 관찰하기 위해 진화되고 있는 현미경. 도쿄대학의 시바타(柴田) 교수팀은 전자현미경을 개량해 원자 내부에 있는 원자 등이 작용하는 공간인 ‘전장’ 관찰에 성공했다. 전자의 움직임을 상세하게 관찰할 수 있게 된다면 물질의 특성에 대한 이해가 용이해져 원하는 반응만을 촉진하는 고효율 촉매나 우수한 특성의 반도체를 만들 수 있게 된다. 연구팀은 2030년대에는 다양한 개발 현장에 보급될 수 있을 것이라고 말한다.

물질의 화학반응에는 전자의 움직임이 관련되어 있다. 예를 들어 촉매를 통해 화학반응이 진행되는 것은 촉매가 물질이 가진 전자 등에 작용해 반응하기 쉬운 상태로 바꾸기 때문이다. 만약 전자현미경으로 직접 전자의 움직임을 볼 수 있게 된다면 보다 성능이 우수한 촉매 등 신소재를 만들기 쉬워진다.

지금까지 전자의 움직임까지 직접 관찰할 수 있는 방법은 없었다. 소재 개발 현장에서는 이론적 계산으로 전자의 움직임을 예측하는 방법이 이용되어왔지만, 실제로 물질의 표면에서 어떤 일이 일어나고 있는지를 정확히 알기는 어려웠다. 시바타 교수는 “서로 다른 물질의 경계 면인 계면(界面)을 실제로 관찰할 수 있게 된다면 이론적 계산에 도움이 될지도 모른다”라고 말한다.

시바타 교수는 전자의 움직임까지 관찰할 수 있는 전자현미경 개발을 목표로 하고 있다. 전자현미경은 전자 빔을 관찰하고 싶은 물체에 조사(照射)해 반사되거나 통과한 전자를 관찰하는 시스템으로, 일반 전자현미경으로는 원자가 늘어선 모양 등을 볼 수 있다.

더욱 정밀한 전자의 모습을 보기 위해서는 기술이 필요하다. 원자핵 주변에는 전장이라고 하는 전기(電氣)적인 에너지가 있어 전자 빔이 통과할 때의 영향으로 미세하게 방향이 바뀐다. 이것을 파악해 분석함으로써 전장을 가시화할 수 있게 된다. 전자는 전장 안에 일정 확률로 분포되어 있어 대부분의 전자 움직임을 파악할 수 있다. 시바타 교수팀은 2018년에 전자현미경을 이용한 전장 관찰에 성공했다.

앞으로의 목표는 전자를 이용해 원자 간 결합하는 모습을 관찰하는 것이다. 하지만 원자의 결합은 원자핵 주변에 비해 전기적인 에너지가 작기 때문에 전자 빔으로 인한 변화가 작아 현재 기술로는 파악이 불가능하다.

예를 들어, 원자 간 강하게 이어진 물질의 결합 부분에서는 전장이 강하다고 한다. 전장의 상태와 물질 간 결합과의 관계를 밝혀낸다면 전장의 특징을 통해 보다 결합에 강한 소재와 반응성이 높은 촉매를 발견할 수 있을지도 모른다.

시바타 교수팀은 고분해성의 전자현미경 개발도 추진하고 있다. 현재 세계 최고는 40.5피코미터이다. 이론적으로 전자현미경은 분해능의 한계가 3피코미터 이하라고 한다. “좀더 분해능을 올릴 수 있다”(시바타 교수). 앞으로 검출기와 전자 빔 개선을 통해 접근해나갈 계획이다.

이번에 개발한 기술의 실용화를 위해 연구팀은 일본전자(日本電子)와 공동연구를 추진하고 있다. 지금까지는 전자장을 관찰할 수 있는 장치를 상품화했다고 한다. 2030년경에는 물질 간의 결합에 관련된 전자의 움직임까지 볼 수 있는 현미경을 실용화할 계획이라고 한다.

-- 일본, 연구 지원이 과제 --
전자현미경은 1934년, 독일에서 개발되었다. 당시에는 약 100피코미터가 분해능의 한계였지만 1990년대 후반에 보정기술의 개선이 추진되면서 분해능이 높아졌다. 현재는 40.5피코미터가 최고 기록이다.

하지만 미세한 것을 보는 것이 아닌 온도와 빛으로 인한 원자의 변화 및 극히 짧은 시간에 발생하는 원자의 변화 등을 파악하는 기능 등이 있는 전자현미경 개발이 해외를 중심으로 추진되고 있다. 슈퍼컴퓨터 및 인공지능(AI)와 결합시켜 관측 데이터의 노이즈를 제거해 극히 미세한 변화까지 파악할 수 있도록 하는 연구도 추진되고 있다.

국내에서는 전자현미경 분야에서 뛰어난 제조사들이 있다. 일본전자와 히타치하이테크놀로지즈, 미국의 써모피셔사이언티픽(Thermo Fisher Scientific) 등이 세계적으로 유력하다. 미국에서는 정부 주도의 연구 프로젝트가 추진되고 있고, 기업과 대학들이 활발한 공동연구를 통해 반격을 도모하고 있다.

일본의 불안 요소는 국내 대학에 연구자가 적다는 것이다. 정부의 연구 프로젝트도 운용되고 있지 않다. 전자현미경 연구는 큰 비용이 들기 때문에 지원 없이는 연구를 추진하기 어렵다. 시바타 교수는 “일본의 소재 기술 등의 강점을 살리기 위해서라도 대학 연구에 대한 지원이 필요하다”라고 말한다.

▶ 전자현미경 개발 역사
- 1590년: 네덜란드에서 세계 최초의 현미경 개발
- 1931년: 독일에서 전자현미경 개발
- 1990년대: 수차 보정 기술 발달로 분해능이 비약적으로 향상
- 2017년: 도쿄대학이 세계 최고인 40.5피코미터의 분해능 달성
- 2018년: 도쿄대학이 전장 관찰에 성공
- 2030년경: 전자를 관찰할 수 있는 전자현미경이 시장에 등장
- 2030년대: 전자현미경을 이용한 소재 개발 보급

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