"결맞는 X-선 회절을 이용한 원자수준의 이미징 기술 개발"

결맞는 (Coherent) X-선 회절법을 이용한 이미징은 결정의 3차원 이미지 뿐 아니라, 결정 내부의 스트레인을 3차원으로 얻을 수 있는 획기적인 기술이다. 이러한 결맞는 X-선 회절 이미징 기술을 이용하여 석유화학산업의 감초인 나노다공성 물질 제올라이트 합성과정에서 품질저하의 원인이 되는 결정변형을 3차원으로 그려내고 그 원인을 밝혀냈다. 결정 전체에 대해 내부의 결정변형을 원자수준에서 얻어낸 것은 처음이다.

서강대학교(총장 유기풍) 물리학과 김현정 교수팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심)의 지원을 받았으며, 연구 결과는 재료분야 권위지 네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF=35.7)지 8월호(7월 7일자 온라인판)에 게재되었다.

연구팀은 결맞는 X-선 회절법을 이용해 제올라이트 결정의 모양을 얻는 동시에 결정 내부의 격자변형 정도를 0.01 nm 해상도로 원자수준까지 측정해냈다. 배열된 입자에 부딪혀 나오는 빛의 산란이 상대적으로 약한 나노다공성 물질에 맞춰 결맞는 X-선 회절법을 개량한 것이다. 향후 촉매로서 제올라이트 효율을 개선하기 위한 결정변형 없는 합성조건을 찾는데 실마리가 될 것으로 기대된다. 특히 이 방법을 이용하는 경우 내부를 들여다보기 위해 제올라이트를 파괴할 필요가 없고 반응이 일어나는 실시간으로 측정이 가능하다는 것이 장점이다. 기존 연구에서는 결정 전체의 변형여부나 화학성분의 분포는 측정할 수 있었지만 원자수준에서 제올라이트의 변형을 측정하는 것에 한계가 있었다. 때문에 제올라이트의 폭넓은 응용을 위해 결정내 나노기공의 크기와 배열을 측정하고 결정의 변형부위와 원인을 밝히는 것이 관건이었다.

본 기술은 구축 중인 4세대 방사광 가속기(X-선 자유전자레이저)의 향후 대표적인 활용사례로 극초단 시간 내의 반응 측정과 분해능을 더욱 높일 경우 나노다공성 물질 뿐 아니라 반도체 디바이스의 결함 등을 연구하는데 기여할 것이다.