이온빔이란 이온으로 된 빔 형태의 입자다. 이온현미경은 이온빔을 광원으로 사용한다. 연구팀은 자체 설계한 이온원 장치를 이용해 원자 3개 크기의 탐침에서 이온빔을 생성했다. 탐침 끝부분 원자의 개수가 작을수록 고휘도의 집속된 이온빔이 방출되고 더욱 밝은 이미지를 얻을 수 있다.

헬륨이온현미경은 전자현미경 수준인 나노미터 이하의 영상 분해능은 물론, 전자현미경에서 하지 못하는 10나노미터 이하의 정밀가공까지 가능하다. 나노 공정기술, 재료과학, 생물학을 포함한 다양한 분야에서 헬륨이온현미경을 주목하고 있는 이유다.

헬륨이온현미경의 높은 분해능을 구현하기 위해서는 이온원의 정교한 설계가 핵심이다. 이온원의 탐침을 첨예하게 만들어 이온빔이 방출되는 면적이 극도로 좁아야 하기 때문이다. 뾰족한 탐침의 비결은 탐침 끝부분에 최소한의 원자를 남기는 것이다.

이처럼 고성능의 이온빔 원천기술은 이온현미경에서 가장 중요한 요소이지만, 기술 난도가 상당히 높아 극소수의 해외 선진 기업만이 원자 3개 수준의 탐침 기술을 적용한 상용현미경을 판매하고 있다.

특히 정교한 탐침 제작을 방해하는 대표적인 요인이 산화막이다. 탐침이 진공환경에 설치되기 전 공기 중에 노출되면 탐침의 재료인 텅스텐 표면에 산화막이 생성된다. 그동안은 탐침의 온도를 높이는 열처리 클리닝 과정을 거쳐 산화막을 제거했다.

연구팀은 제거 대상이었던 산화막을 역으로 활용, 3원자 탐침을 개발하는 데 성공했다. 산화막이 포함된 절연층을 열처리로 제거하지 않고 오히려 절연층의 산소를 응용해 탐침을 뾰족하게 식각한 것이다.

박인용 선임연구원은 "이번에 개발한 장비는 기존 방법보다 단계를 대폭 줄인 이온빔 원천기술로서 외산 측정장비에 의존하고 있는 국내 시장의 경쟁력을 크게 향상시킬 것"이라며 "탐침의 원자 수를 1개로 줄여 세 배 이상 밝은 '단원자 탐침'을 안정적으로 구현하는 것이 궁극적인 목표"라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 현미경 분야 학술지인 '울트라마이크로스코피(Ultramicroscopy)'에 지난달 온라인 판으로 게재됐다.