숙명여대 박우성 기계시스템학부 교수, 전자빔의 에너지 변환 메커니즘 세계 최초 규명
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2021.01.25
http://pr.sookmyung.ac.kr/bbs/sookmyungkr/86/113016/artclView.do?layout=unknown
보도일자
2021.01.06

숙명여대 박우성 기계시스템학부 교수,

전자빔의 에너지 변환 메커니즘 세계 최초 규명

 

- 전자 투시 현미경에 적용 가능한 초정밀 열량계 개발, 전자빔의 에너지 전달 구조 밝히는 데 성공...보다 정확한 재료 특성 연구 가능할 것으로 기대

- 스탠포드대 공동연구팀과 함께 국제 저명 학술지 어드밴스드 사이언스에 연구결과 게재

 

숙명여자대학교 기계시스템학부 박우성 교수 연구팀이 전자가 빛에 가까운 속도로 움직일 때, 물질을 투사하면서 생기는 발열의 원리를 세계 최초로 밝혔다. 이는 전자 투사 현미경을 통한 관찰의 정확성을 높여 다양한 소재의 재료 연구에 널리 쓰일 것으로 기대된다.

 

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 국제 저명 학술지인 어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’에 지난 1221일자로 게재됐다.(논문명: Direct Quantification of Heat Generation Due to Inelastic Scattering of Electrons Using a Nanocalorimeter)

 

재료의 구조를 관찰하기 위해 널리 사용되는 것이 전자현미경이다. 전자현미경은 전자가 빠른 속도로 움직일 때 가지는 파장이 가시광선보다 짧아지는 현상을 이용해 가시화 영역을 크게 확장시켰다. 특히 전자 투사 현미경은 전자를 빛에 가까운 속도로 가속하여 충분히 얇은 물질에 투사하면, 투과한 전자를 이용해 원자 수준까지 가시화할 수 있는 장치다. 이러한 전자 현미경들은 재료 및 바이오 연구에 있어서 커다란 진보를 가져왔다.

 

그러나 박 교수에 따르면 전자 투사 현미경을 사용할 때 발생하는 전자빔의 에너지는 관찰 대상에 전달되는 과정에서 온도를 국소적으로 향상시켜 재료의 구조와 성질 변화를 야기시키기 때문에 물질의 정확한 관찰을 방해한다. 이에 전자빔으로부터 재료로 전달되는 에너지의 정확한 측정과 전달 매커니즘에 대한 이해가 반드시 필요하다.

 

이에 박 교수와 미국 스탠포드대 박준석 박사, 배기호 박사, 김태호 박사, Goodson 교수 공동 연구팀은 전자빔 투과 시 생성되는 발열량을 측정하기 위한 초정밀 열량계를 개발했다. 이를 활용해 전자 투시 현미경에서 전자빔에 의한 발열량을 정밀하게 측정하고, 전자의 에너지 손실 분포도를 측정하여 전자가 열로 전환되는 것은 주로 원자 주변의 최외곽 전자와 투사된 전자가 충돌하여 에너지가 전달된다는 사실을 밝혔다.

 

박 교수는 이전에도 전자빔에 의한 발열을 연구하고자 하는 노력이 있어왔지만 정확도가 부족하고, 재료마다 상이한 차이가 나서 적용이 어려웠다이번 연구에서는 접근법을 달리하여 국소 온도 대신 총 발열량을 측정해 에너지 전환 메커니즘을 세계 최초로 규명하는데 성공했다고 밝혔다.

 

이번 연구를 통해 전자 에너지 손실 분포 측정법 EELS(Electron Energy Loss Spectroscopy)로 발열을 예측하는 것이 가능해져 전자 투사 현미경 내에서 다양한 온도 시험이 가능하게 됐다. 박 교수는 미시적인 차원에서 재료의 성질을 결정하는 원자 및 전자의 구조와 거시적인 차원에서 재료의 성질에 영향을 미치는 온도를 동시에 이해할 수 있는 토대가 마련돼 보다 정확한 재료 특성 연구가 이뤄질 것으로 기대된다고 밝혔다.