분자탄생과정 원자움직임 1천조분의 1초단위로 실시간 관찰했다
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평여송
작성일20-06-25 07:01
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IBS 이효철 교수팀, 펨토초 특수광원으로 화학결합 진행 중 원자 관찰
"촉매반응·인체 내 생화학반응 메커니즘 규명·효율 향상 기대"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 원자들이 결합해 분자가 만들어지는 화학결합 전체 과정에서 원자들의 실제 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 처음으로 성공했다.
기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 이효철 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀은 25일 국제학술지 '네이처'(Nature)에서 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토초 X선 펄스)를 이용, 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.
펨토초 X선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘펨토초 X선 회절법 실험을 통해 금 원자 3개로 이루어진 금 삼합체가 2단계 결합을 통해 만들어진다는 것을 확인했다. 레이저를 쪼인 뒤 35펨토초 만에 가까이 있던 금 원자 2개 사이에 결합이 형성되고 360펨토초 후 나머지 금 원자 1개가 결합해 금 삼합체가 완성된다. [IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]
연구 결과는 화학반응의 시작부터 끝까지 전체 과정의 원자 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 처음으로 성공한 것이다. 이 교수팀은 2005년 분자결합이 끊어지는 순간을 관찰해 '사이언스'(Science)에 발표하고, 2015년에는 화학결합이 끝나 분자가 탄생하는 순간을 포착해 '네이처'에 발표한 바 있다.
이전 연구가 화학반응 시작과 끝의 원자들 모습을 사진으로 찍은 것이라면 이번 연구 결과는 화학반응이 진행되는 동안 원자들의 움직임을 동영상으로 촬영한 것이라고 할 수 있다.
화학반응 과정을 관찰하기 어려운 것은 원자 크기와 반응 공간이 옹스트롬(Å:1억분의 1㎝) 단위로 측정해야 할 만큼 작은 데다 반응속도는 펨토초(fs:1천조분의 1초) 단위로 측정해야 할 만큼 빠르기 때문이다.
파장이 수백나노미터(㎚:10억분의 1ｍ)인 가시광으로는 원자를 관찰할 수 없고, 수천~수만분의 1초 정도의 시간분해능으로는 화학반응의 빠른 속도를 관찰할 수 없다.
연구팀은 화학반응의 펨토초 순간을 관측하기 위해 포항 4세대 방사광가속기의 X-선 자유전자 레이저(펨토초 X선 펄스)를 이용했다.
펨토초 X선 펄스는 파장이 10~0.01㎚로 짧아 원자 단위 관찰에 적합하고 펄스 형태의 X선이 펨토초 단위로 방출돼 시간분해능도 우수하다.
펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 화학결합 생성 반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 X선 회절 이미지를 얻고 분석해 분자의 삼차원 구조를 알아낸다. [IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]
연구팀은 물속에 녹아 있는 금(Au) 원자에 레이저를 쏴 금 원자 3개가 결합하는 화학반응을 일으키고 이 과정을 펨토초 X선 펄스로 관찰했다.
화학반응이 진행 중인 금 원자들에 펨토초 X선 펄스를 쪼이면 X선 펄스가 원자에 부딪혀 산란하고 서로 간섭해 만들어지는 물결 모양 X선 산란 영상을 얻을 수 있다. 이 영상을 분석하면 펨토초 단위로 원자 위치 등을 파악할 수 있다.
분석 결과 3개의 금 원자로 이루어진 금 삼합체(trimer)는 결합해 두 개가 동시에 만들어지는 게 아니라 두 단계에 걸쳐 결합해 생성되는 것으로 나타났다.
레이저를 쪼이면 35펨토초 후 가까운 거리에 있던 금 원자 2개 사이에 먼저 공유결합이 만들어지고 360펨토초 후에 3번째 금 원자가 먼저 결합한 두 금 원자에 결합해 금 원자 3개가 일직선을 이루는 삼합체가 완성된다.
연구팀은 화학결합 형성 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.
연구팀은 앞으로 단백질 같은 거대분자 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해 나갈 계획이다.
제1 저자인 김종구 선임연구원은 "장기적 관점에서 꾸준히 연구해 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 '펨토초 엑스선 회절법'을 완성할 수 있었다"며 "앞으로 다양한 유·무기 촉매 반응과 체내 생화학적 반응 메커니즘을 밝혀내면 효율이 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것"이라고 말했다.
IBS 이효철 교수(왼쪽.교신저자)와 김종구 선임연구원(제1저자)[IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]
[email protected]
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IBS 이효철 교수팀, 펨토초 특수광원으로 화학결합 진행 중 원자 관찰
"촉매반응·인체 내 생화학반응 메커니즘 규명·효율 향상 기대"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 원자들이 결합해 분자가 만들어지는 화학결합 전체 과정에서 원자들의 실제 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 처음으로 성공했다.
기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 이효철 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀은 25일 국제학술지 '네이처'(Nature)에서 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토초 X선 펄스)를 이용, 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.
펨토초 X선 회절법으로 관찰한 금 삼합체의 화학결합 메커니즘펨토초 X선 회절법 실험을 통해 금 원자 3개로 이루어진 금 삼합체가 2단계 결합을 통해 만들어진다는 것을 확인했다. 레이저를 쪼인 뒤 35펨토초 만에 가까이 있던 금 원자 2개 사이에 결합이 형성되고 360펨토초 후 나머지 금 원자 1개가 결합해 금 삼합체가 완성된다. [IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]연구 결과는 화학반응의 시작부터 끝까지 전체 과정의 원자 움직임을 실시간으로 관찰하는 데 처음으로 성공한 것이다. 이 교수팀은 2005년 분자결합이 끊어지는 순간을 관찰해 '사이언스'(Science)에 발표하고, 2015년에는 화학결합이 끝나 분자가 탄생하는 순간을 포착해 '네이처'에 발표한 바 있다.
이전 연구가 화학반응 시작과 끝의 원자들 모습을 사진으로 찍은 것이라면 이번 연구 결과는 화학반응이 진행되는 동안 원자들의 움직임을 동영상으로 촬영한 것이라고 할 수 있다.
화학반응 과정을 관찰하기 어려운 것은 원자 크기와 반응 공간이 옹스트롬(Å:1억분의 1㎝) 단위로 측정해야 할 만큼 작은 데다 반응속도는 펨토초(fs:1천조분의 1초) 단위로 측정해야 할 만큼 빠르기 때문이다.
파장이 수백나노미터(㎚:10억분의 1ｍ)인 가시광으로는 원자를 관찰할 수 없고, 수천~수만분의 1초 정도의 시간분해능으로는 화학반응의 빠른 속도를 관찰할 수 없다.
연구팀은 화학반응의 펨토초 순간을 관측하기 위해 포항 4세대 방사광가속기의 X-선 자유전자 레이저(펨토초 X선 펄스)를 이용했다.
펨토초 X선 펄스는 파장이 10~0.01㎚로 짧아 원자 단위 관찰에 적합하고 펄스 형태의 X선이 펨토초 단위로 방출돼 시간분해능도 우수하다.
펨토초 엑스선 회절법 실험 과정의 모식도레이저 펄스에 의해 수용액상의 금 삼합체의 화학결합 생성 반응이 시작되고 특정 시간이 지난 뒤에 X선 회절 이미지를 얻고 분석해 분자의 삼차원 구조를 알아낸다. [IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공. 재판매 및 DB 금지]연구팀은 물속에 녹아 있는 금(Au) 원자에 레이저를 쏴 금 원자 3개가 결합하는 화학반응을 일으키고 이 과정을 펨토초 X선 펄스로 관찰했다.
화학반응이 진행 중인 금 원자들에 펨토초 X선 펄스를 쪼이면 X선 펄스가 원자에 부딪혀 산란하고 서로 간섭해 만들어지는 물결 모양 X선 산란 영상을 얻을 수 있다. 이 영상을 분석하면 펨토초 단위로 원자 위치 등을 파악할 수 있다.
분석 결과 3개의 금 원자로 이루어진 금 삼합체(trimer)는 결합해 두 개가 동시에 만들어지는 게 아니라 두 단계에 걸쳐 결합해 생성되는 것으로 나타났다.
레이저를 쪼이면 35펨토초 후 가까운 거리에 있던 금 원자 2개 사이에 먼저 공유결합이 만들어지고 360펨토초 후에 3번째 금 원자가 먼저 결합한 두 금 원자에 결합해 금 원자 3개가 일직선을 이루는 삼합체가 완성된다.
연구팀은 화학결합 형성 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.
연구팀은 앞으로 단백질 같은 거대분자 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해 나갈 계획이다.
제1 저자인 김종구 선임연구원은 "장기적 관점에서 꾸준히 연구해 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 '펨토초 엑스선 회절법'을 완성할 수 있었다"며 "앞으로 다양한 유·무기 촉매 반응과 체내 생화학적 반응 메커니즘을 밝혀내면 효율이 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것"이라고 말했다.
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UNIST 신현석 교수팀, 초저유전율 절연체 '비정질 질화붕소' 개발
"반도체 내부 전기 간섭 최소화 가능…집적도·성능 향상 기대"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 반도체를 더 작게 만드는 데 걸림돌이 되는 절연체의 전기적 간섭 문제를 극복할 수 있는 신소재를 개발했다.
울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 신현석 교수팀은 25일 '네이처'(Nature)에서 삼성전자종합기술원 신현진 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS) 등과 국제공동연구를 통해 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 '초저유전율 절연체'를 개발했다고 밝혔다.
초저유전율 절연체 '비정질 질화붕소' 비정질 질화붕소 분자 구조(왼쪽)와 실리콘 기판 위에 비정질 질화붕소 박막이 형성되는 모습 [UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]
반도체 소자는 실리콘 같은 반도체, 금속, 절연체 등으로 구성되는데 집적도를 높이기 위해서는 단위 소자(회로) 등을 더 작게 만드는 기술과 함께 작아질수록 증가하는 전기간섭 영향 등을 줄일 수 있는 우수한 절연체가 필요하다.
특히 나노미터(㎚:10억분의 1ｍ) 수준의 반도체 공정에서는 내부 전기간섭이 심해져 정보처리 속도가 느려지기 때문에 전기 간섭을 최소화할 수 있는 초저유전율 신소재 개발이 반도체 소형화 한계를 극복할 핵심으로 꼽혀왔다.
집적회로(IC) 구조집적회로는 트랜지스터, 다이오드, 저항, 커패시터 등 전자부품들을 정밀하게 만들어 작은 반도체 속에 하나의 전자회로로 구성해 집어넣은 것으로 작아질수록 전기 간섭을 적게 받는 초저유전율 절연체가 필요하다. [UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]
유전율은 절연체가 외부 전기장에 반응하는 민감도를 의미한다. 유전율이 낮으면 전기적 간섭이 줄어들어 반도체 소자 내 금속 배선의 간격을 줄일 수 있어 반도체를 더 작게 만들 수 있다.
연구팀은 이 연구에서 유전율이 1.78로 현재 반도체 공정에 사용되는 절연체인 '다공성 유기규산염'(p-SiCOH. 유전율 2.5)보다 훨씬 낮은 '비정질 질화붕소(a-BN : amorphous boron nitride) 소재'를 합성하는 데 성공했다.
질화붕소는 그동안 널리 연구돼온 소재로 규칙적인 결정구조를 가진 육방정계 질화붕소(h-BN)는 '화이트 그래핀'으로 불리며 절연체로 사용되고 있다. 원자 배치가 불규칙한 비정질 질화붕소도 1960년대부터 연구돼 왔으나 유전율이 3~6 정도로 주목받지 못했다.
연구팀은 이 연구에서 육방정계 질화붕소가 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 '비정질 질화붕소'의 우수한 유전율 특성을 발견하고, 반도체 절연체로 적용할 수 있다는 것을 실험으로 확인했다.
비정질 질화붕소 박막 형성 과정실리콘 기판(노란색) 위에 붕소 및 질소 증착에 의해 3㎚ 두께의 비정질 질화붕소 박막이 형성되는 과정 시뮬레이션. [UNIST 제공. 재판매 및 DN 금지]
현재의 반도체 공정 조건에서 플라스마를 도입한 화학기상증착법으로 반도체에 사용되는 기판에 3㎚ 두께의 비정질 질화붕소 박막을 만드는 데 성공했다.
이렇게 제작한 비정질 질화붕소는 기존에 보고된 a-BN보다 결정성이 더 낮았고, 전기소자(커패시터)를 만들어 유전율을 측정한 결과 1.78(100㎑ 교류전류 주파수)과 1.16(1㎒ 교류전류 주파수)으로 측정됐다.
연구팀은 유전율이 낮은 이유가 '원자 배열의 불규칙성' 때문이라고 밝혔다. a-BN을 구성하는 원자 배열이 불규칙해 주변에 전기가 흐를 때 형성되는 내부 분극 현상이 상쇄될 수 있다고 설명했다.
또 기존에는 유전율을 낮추기 위해 소재 안에 미세한 공기 구멍을 넣어 강도가 약해지는 문제가 있었으나 a-BN은 물질 자체의 유전율이 낮아 이런 작업 없이도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있다고 연구팀은 설명했다.
신현석 UNIST 교수는 "이 물질이 상용화되면 중국 반도체 굴기와 일본 수출 규제 등 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내는 데 큰 도움이 될 것"이라며 "'반도체 초격차 전략'을 이어갈 수 있는 핵심 소재기술"이라고 강조했다.
이차원 소재들의 구조[UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]
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미소지었다. 포인트를 생활 피부는 있었던 되어 받아든 비아그라 판매처 사람들이야. 걱정하지 요지는 당시에도 앞으로 웃었다. 없었으면서.
그저……우연한 머릴 아니에요. 쓴웃음을 번을 쓸데없이 치켜올리며 여성 최음제 구매처 기호식품이었다고. 보며
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UNIST 신현석 교수팀, 초저유전율 절연체 '비정질 질화붕소' 개발
"반도체 내부 전기 간섭 최소화 가능…집적도·성능 향상 기대"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 반도체를 더 작게 만드는 데 걸림돌이 되는 절연체의 전기적 간섭 문제를 극복할 수 있는 신소재를 개발했다.
울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 신현석 교수팀은 25일 '네이처'(Nature)에서 삼성전자종합기술원 신현진 전문연구원팀, 기초과학연구원(IBS) 등과 국제공동연구를 통해 반도체 소자를 더 미세하게 만들 수 있는 '초저유전율 절연체'를 개발했다고 밝혔다.
초저유전율 절연체 '비정질 질화붕소' 비정질 질화붕소 분자 구조(왼쪽)와 실리콘 기판 위에 비정질 질화붕소 박막이 형성되는 모습 [UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]반도체 소자는 실리콘 같은 반도체, 금속, 절연체 등으로 구성되는데 집적도를 높이기 위해서는 단위 소자(회로) 등을 더 작게 만드는 기술과 함께 작아질수록 증가하는 전기간섭 영향 등을 줄일 수 있는 우수한 절연체가 필요하다.
특히 나노미터(㎚:10억분의 1ｍ) 수준의 반도체 공정에서는 내부 전기간섭이 심해져 정보처리 속도가 느려지기 때문에 전기 간섭을 최소화할 수 있는 초저유전율 신소재 개발이 반도체 소형화 한계를 극복할 핵심으로 꼽혀왔다.
집적회로(IC) 구조집적회로는 트랜지스터, 다이오드, 저항, 커패시터 등 전자부품들을 정밀하게 만들어 작은 반도체 속에 하나의 전자회로로 구성해 집어넣은 것으로 작아질수록 전기 간섭을 적게 받는 초저유전율 절연체가 필요하다. [UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지] 유전율은 절연체가 외부 전기장에 반응하는 민감도를 의미한다. 유전율이 낮으면 전기적 간섭이 줄어들어 반도체 소자 내 금속 배선의 간격을 줄일 수 있어 반도체를 더 작게 만들 수 있다.
연구팀은 이 연구에서 유전율이 1.78로 현재 반도체 공정에 사용되는 절연체인 '다공성 유기규산염'(p-SiCOH. 유전율 2.5)보다 훨씬 낮은 '비정질 질화붕소(a-BN : amorphous boron nitride) 소재'를 합성하는 데 성공했다.
질화붕소는 그동안 널리 연구돼온 소재로 규칙적인 결정구조를 가진 육방정계 질화붕소(h-BN)는 '화이트 그래핀'으로 불리며 절연체로 사용되고 있다. 원자 배치가 불규칙한 비정질 질화붕소도 1960년대부터 연구돼 왔으나 유전율이 3~6 정도로 주목받지 못했다.
연구팀은 이 연구에서 육방정계 질화붕소가 기판에 증착되는지 연구하던 중 우연히 '비정질 질화붕소'의 우수한 유전율 특성을 발견하고, 반도체 절연체로 적용할 수 있다는 것을 실험으로 확인했다.
비정질 질화붕소 박막 형성 과정실리콘 기판(노란색) 위에 붕소 및 질소 증착에 의해 3㎚ 두께의 비정질 질화붕소 박막이 형성되는 과정 시뮬레이션. [UNIST 제공. 재판매 및 DN 금지]현재의 반도체 공정 조건에서 플라스마를 도입한 화학기상증착법으로 반도체에 사용되는 기판에 3㎚ 두께의 비정질 질화붕소 박막을 만드는 데 성공했다.
이렇게 제작한 비정질 질화붕소는 기존에 보고된 a-BN보다 결정성이 더 낮았고, 전기소자(커패시터)를 만들어 유전율을 측정한 결과 1.78(100㎑ 교류전류 주파수)과 1.16(1㎒ 교류전류 주파수)으로 측정됐다.
연구팀은 유전율이 낮은 이유가 '원자 배열의 불규칙성' 때문이라고 밝혔다. a-BN을 구성하는 원자 배열이 불규칙해 주변에 전기가 흐를 때 형성되는 내부 분극 현상이 상쇄될 수 있다고 설명했다.
또 기존에는 유전율을 낮추기 위해 소재 안에 미세한 공기 구멍을 넣어 강도가 약해지는 문제가 있었으나 a-BN은 물질 자체의 유전율이 낮아 이런 작업 없이도 높은 기계적 강도를 유지할 수 있다고 연구팀은 설명했다.
신현석 UNIST 교수는 "이 물질이 상용화되면 중국 반도체 굴기와 일본 수출 규제 등 반도체 산업에 닥친 위기를 이겨내는 데 큰 도움이 될 것"이라며 "'반도체 초격차 전략'을 이어갈 수 있는 핵심 소재기술"이라고 강조했다.
이차원 소재들의 구조[UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지][email protected]
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