나노미터(㎚) 크기 원자 구조를 면밀히 파악하는 알고리즘이 국제 공동연구로 개발됐다. 반도체 소자 성능 개선, 바이러스 구조 분석과 치료제 개발 등에 널리 쓰일 전망이다.
기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 박정원 나노입자연구단 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수)팀이 호주 모나쉬대·미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL)와 나노입자 구조를 원자 수준에서 분석하는 알고리즘 '3D싱글'을 개발했다고 1일 밝혔다.
재료 3차원 구조를 원자 단위에서 분석하는 것은 고성능 소재, 바이러스 진단 및 치료제 개발에 꼭 필요한 일이다.
초저온전자현미경(Cryo-EM) 등 분석기술 발전으로 나노입자 3차원 구조 파악이 가능해졌다. 하지만 기존 기술은 동결 시료 이미지만을 처리할 수 있어 동결 과정에서 구조변화가 생긴다. 또 동일한 구조의 다량 입자를 여러 각도에서 촬영해 하나의 3D 이미지를 얻는 방식인데, 실제와 미세한 차이가 날 수 있다.
하나의 원자를 추적 관찰하는 것이 보다 정확한 방법이다. 연구진은 지난해 액상 투과전자현미경(TEM)을 이용, 원자 배열까지 입체적으로 관찰할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. 이번 연구에서는 3D 싱글 알고리즘을 액상 투과전자현미경에 접목, 관찰 성능을 높였다.
나노입자를 그래핀 기반 특수 용기(액체 셀)에 담아 분석하는데, 그래핀과 액체까지도 함께 포착된다는 문제가 있었다. 연구진은 이런 '노이즈'를 스스로 제거하고, 관찰 원자만 최대 1.5배 더 뚜렷하게 볼 수 있도록 알고리즘을 개선했다. 용액내 자유롭게 회전하는 나노입자 추적 효율을 개선해 기존보다 10배가량 빠르게 3D 구조를 파악할 수 있게 했다. 2㎚ 미만 극미세 입자까지 추적할 수 있다.
박정원 연구위원은 “코로나19 바이러스 변이처럼 미세한 구조변화도 포착·분석할 수 있다”며 “향후 촉매·디스플레이·신약 개발 등 광범위한 분야에서 소자 성능개선 및 신물질 설계·합성에 기여할 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 IBS 및 삼성미래기술육성재단, 한국연구재단 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료분야 세계적 권위지 '사이언스 어드밴시스' 1월 30일(한국시간)자에 실렸다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
