- 원자층 레벨 두께 2D 물질의 복소 광학 상수 이미징 기술 최초 개발
- 복잡한 모델없이 복소 굴절률의 실수, 허수 성분 선택적 이미징 가능해져
- 김언정 교수, “나노소재 분석에 최적화된 새로운 계측 방법 제시한 것”
- 나노기술 분야 국제저명학술지 ‘Small’ 게재

동국대학교(총장 윤재웅) 물리학과 김언정 교수 연구팀이 이론적 모델링 없이 나노소재의 복소 광학 상수(complex refractive index, n+ik)를 직접적으로 고해상도 이미징하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 해당 연구 결과는 나노기술 분야의 국제저명학술지 Small(Impact Factor 13.0, 상위 저널)에 "Facile Projection of Spatially Resolved Refractive Index Modulation in Monolayer MoS₂ via Light Phase Changes"라는 제목으로 게재됐다.

복소 광학 상수는 빛과 물질 간 상호작용을 규명하는 핵심적인 물리 상수로, 재료 과학, 나노기술, 광학 설계, 광전자공학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다. 기존에는 분광 타원계측기(spectroscopic ellipsometry)를 통해 이 수치를 간접적으로 측정했지만, 이 방식은 표면이 불균일하거나 작은 표면적에는 적용하기 어렵다. 또한, 마이크로미터 단위의 원자층 두께를 가진 나노물질에 적용하기에도 기술적 한계들이 존재한다.

김 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해, 단일 파장의 위상천이 간섭계(Phase Shift Interferometry)에 400~700nm의 분광 기능을 결합한 Hyperspectral Phase Microscopy(HPM) 기술을 세계 최초로 개발한 바 있다. HPM 기술은 물질 표면의 구조 정보와 분광 정보를 동시에 확보할 수 있는 기술이다. 선행 연구 결과(Nano Today, 2024)에 따르면, 이 기술은 나노물질에서 반사된 빛의 위상 스펙트럼과 크레머스-크로니그(Kramers-Kronig) 관계를 만족하는 로렌츠 오실레이터(Lorentz oscillator) 모델을 활용해 복소 광학상수의 공간 분포를 정밀하게 계산할 수 있다.

이번 연구에서는 혁신적 기판 설계를 통해 추가적인 이론적 모델링 없이 복소 굴절률의 실수 성분 또는 허수 성분을 선택적으로 이미징할 수 있음을 최초로 입증했다. 특히, 대표적인 이차원 반도체 물질인 MoS₂(이황화 몰리브데늄) 단일층에 불균일하게 인가된 변형(strain)이 굴절률 실수 성분의 공간적 분포에 영향을 미친다는 사실을 실험적으로 규명하고, 이를 고해상도 이미징기술로 시각화하는 데 성공했다.

또한, 변형이나 도핑(doping)으로 유도되는 나노물질의 전자 밴드 구조(electronic band structure) 변화를 복소 광학 상수 또는 위상 기반의 스펙트럼 형태 이미징을 통해 직접 관측할 수 있는 새로운 분석 방법을 제시했다. 이는 광학적 방법을 통한 전자구조 변조의 비파괴 측정 및 실시간 공간 분석을 가능하게 해, 차세대 나노소재 분석 및 디바이스 설계에 있어 중요한 전환점을 제시한 것으로 평가받는다.

김언정 교수는 “이번 연구는 기존 분광 타원계측의 한계를 극복하고, 나노소재 분석에 최적화된 새로운 계측 방법을 제시한 것”이라며, “향후 초미세화 및 적층화된 반도체 소자에 비파괴 분석법으로써 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.