Hyperlens 통합 현미경 및 슈퍼 해상도 영상

본 실험 절차의 전반적인 목표는 2차원 하이퍼렌즈 장치의 제작 공정과 회절 한계 이하의 이미징 과정을 시연하는 것입니다. 이 새로운 초고해상도 이미징 기술은 기존 광학 기술과 비교하여 실시간 이미징이 가능하고 구현이 간단하다는 장점이 있습니다. 이 방법은 회절 한계 이하의 살아있는 세포 및 동적인 나노입자 이미징과 같이 초고해상도 이미징 분야의 핵심 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다.

하이퍼렌즈(hyperlens)는 평탄한 쌍곡선 분산 특성을 가진 다층 구조의 특수 구형 렌즈로, 고주파 정보의 배율 확대와 원거리 장(far field)에서 유사 광학계의 분해능을 실시간으로 구현할 수 있게 합니다. 구형 하이퍼렌즈의 주요 장점은 가시광선 주파수에서 2차원 정보를 확대할 수 있다는 점입니다. 또한 구형 하이퍼렌즈는 추가적인 복잡한 시스템 없이도 기존의 현미경에 쉽게 통합될 수 있습니다.

해당 절차의 시연은 저희 실험실의 대학원생인 이다솔 님과 김인기 님이 진행하겠습니다. 먼저, 쿼츠 웨이퍼에 포지티브 감광제를 2,000 rpm으로 스핀 코팅한 후 90 °C에서 60초 동안 베이킹합니다. 그 다음, 다이싱 머신을 사용하여 감광제가 도포된 웨이퍼를 20 by 20 square millimeters 크기의 작은 조각으로 절단합니다.

압축 질소 건을 사용하여 조각들을 불어내어 절단 단계에서 발생한 미립자를 제거합니다. 다음으로, 절단된 웨이퍼를 45 °C의 탈이온수 초음파 세척기에 5분 동안 넣습니다. 45 °C의 아세톤 초음파 세척기를 사용하여 5분 동안 포토레지스트 층을 제거합니다.

그다음, 기판을 45 °C의 이소프로필 알코올 초음파 세척기에 5분 동안 넣어 세척합니다. 압축 질소 건으로 기판을 건조합니다. 마스크 패턴을 식각하기 위해, 먼저 세척된 쿼츠 기판을 고진공 전자빔 증착 시스템에 로드합니다.

초당 2 Å의 증착 속도로 크롬 층을 증착합니다. 벤트 버튼을 눌러 챔버를 벤트합니다. 전도성 구리 테이프를 사용하여 집중 이온 빔(Focused Ion Beam) 또는 FIB 홀더에 샘플을 장착합니다.

그 다음, FIB 홀더를 FIB 챔버에 장착합니다. 챔버 도어를 닫고 펌프 버튼을 눌러 챔버 내부를 진공 상태로 만듭니다. 빔 제어 탭에서 Beam On을 선택하고, FIB 모드에 맞는 이온 빔 전류와 가속 전압을 설정합니다.

이온 빔 시스템을 켭니다. 빔 제어 탭에서 Beam On을 선택하여 전자 빔을 켜고, 소프트웨어를 사용하여 저배율로 이미지를 초점을 맞춥니다. 그런 다음, 주사 전자 현미경 모드의 내비게이션 탭에서 작업 거리를 4 mm로 설정합니다.

홀더의 기울기 각도를 52도로 설정하고, 홀 어레이 마스크 패턴 제작 전에 다양한 배율로 SEM 이미지를 촬영합니다. 패턴 생성(patterning) 탭에서 패턴 영역을 선택하고 크롬 층에 50 nanometer 홀 어레이를 생성합니다. 완료 후, 전자빔 및 이온빔 시스템을 끄고 냉각시킵니다.

질소 가스로 챔버를 배기하려면 벤트 버튼을 누르십시오. 그런 다음, 챔버에서 홀더를 꺼냅니다. 다음으로, 패턴화된 기판을 1:10 완충 산화물 식각액(buffered oxide etchant)에 5분 동안 담급니다.

패턴 처리된 기판을 탈이온수에 넣어 완충 산화물 식각액(buffered oxide etchant)을 세척하십시오. 그 후, 압축 질소 가스로 시료를 건조하십시오. 패턴 처리된 기판을 크롬 식각액에 넣어 크롬 마스크 층을 제거하십시오.

마지막으로, 패턴이 형성된 기판을 탈이온수에 5분 동안 담가 세척합니다. 전자빔 증착 시스템의 벤팅(vent) 버튼을 누르고 벤팅이 완료될 때까지 기다립니다. 그 후, 벤팅이 완료되면 패턴이 형성된 기판을 고진공 전자빔 증착 시스템에 로드합니다.

챔버 문을 닫고 펌프 버튼을 눌러 챔버 내부를 진공 상태로 만듭니다. 초당 1 angstrom의 성장 속도로 은 층을 증착하여 15 nanometer 두께의 은 층을 형성합니다. 은 층 증착 후, 기판을 5분 동안 냉각시킵니다.

다른 도가니를 선택하여 전자빔 증착 시스템의 포켓을 교체하고, 초당 1 Å의 성장 속도로 이산화티타늄 층을 증착하십시오. 그런 다음, 15 nm 두께의 이산화티타늄 층을 증착하십시오. 이산화티타늄 층의 증착이 완료되면, 기판을 5분 동안 냉각시키십시오.

은과 산화티타늄의 다층막을 증착하기 위해 증착 단계를 수십 회 반복합니다. 전자빔 증착 시스템의 포켓을 교체하고 50 nanometers 두께로 크롬 층을 증착합니다. 크롬 층 증착이 완료되면 전자빔 증착 시스템의 전원을 끕니다.

벤트 버튼을 누르고 질소 가스를 주입하여 챔버를 벤트합니다. 벤트 후, 챔버 도어를 열고 챔버에서 마운트 홀더를 꺼냅니다. 제작된 하이퍼렌즈 소자를 떼어냅니다.

그런 다음, 챔버 도어를 닫고 펌프 버튼을 눌러 챔버 내부를 진공 상태로 만듭니다. 크롬이 증착된 하이퍼렌즈를 FIB 밀링 시스템에 장착하고 제조사의 지침에 따라 나노 크기의 구조물을 패턴합니다. 다음으로, 일반적인 투과형 광학 현미경을 광학 테이블 위에 배치합니다.

어댑터를 사용하여 백색광원을 현미경 조명 경로에 연결합니다. 410 nm 중심의 광학 밴드패스 필터를 장착합니다. 고배율 오일 침강 대물렌즈를 선택하고 고성능 CCD 카메라를 사용하여 이미지를 획득합니다.

대물렌즈에 이머전 오일을 한 방울 떨어뜨립니다. 마지막으로, 시료대에 하이퍼렌즈를 배치하고 이미지를 캡처합니다. 여기 제시된 하이퍼렌즈는 은과 산화티타늄 다층막을 교대로 증착하여 제작되었습니다.

단면 이미지를 통해 은과 산화 티타늄 박막의 다층 구조가 반구형 석영 기판 위에 균일한 두께로 증착되었음을 알 수 있습니다. 은과 산화 티타늄으로 구성된 하이퍼렌즈는 적층된 다층 구조의 분산 관계가 여기에 표시된 것과 같이 쌍곡선 분산 곡선을 가지므로 410 nm 파장에서 매우 우수한 성능을 보입니다. 높은 공간 파수 성분들이 하이퍼렌즈의 반경 방향을 따라 전파될 수 있습니다.

유한 요소 시뮬레이션으로 계산된 바와 같이, 기존의 광학 장치로는 포착할 수 없는 고주파 성분을 가진 미세 구조는 하이퍼렌즈를 통해 원거리 장(far field)까지 전파될 수 있습니다. 제작 후 하이퍼렌즈는 이 하이퍼렌즈 이미징 시스템의 간단한 모식도에 나타난 것처럼 기존 현미경 시스템에 통합될 수 있습니다. 하이퍼렌즈는 대물렌즈 위에 배치됩니다.

하이퍼렌즈의 성능을 입증하기 위해, 하이퍼렌즈의 내면에 인공 패턴을 새겼습니다. 결과는 하이퍼렌즈를 통해 촬영된 이미지를 보여줍니다. 각 경우의 간격 크기는 160 nanometers에서 180 nanometers 사이입니다.

회절 한계 이하의 특징들이 분해되어 하이퍼렌즈의 초고해상도 능력이 확인되었습니다. 하이퍼렌즈의 개발은 나노 크기의 생체 분자 기계와 무기 나노입자를 탐구하기 위한 초고해상도 이미징 기술의 길을 열었습니다. 이 영상을 시청한 후, 고품질의 하이퍼렌즈를 제작하고 독자적인 초고해상도 이미징 시스템을 구축하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.

우리는 확장 가능하고 재현 가능한 제작 방법을 채택함으로써 하이퍼렌즈 기술의 실용성이 향상될 것으로 기대합니다. 하이퍼렌즈를 통해 과학자들은 나노 규모에서 발생하는 생물물리학적 역동성을 실시간으로 관찰할 수 있으며, 이는 생물학, 의학, 재료 과학 및 나노기술과 같은 다양한 응용 분야에서 차세대 초고해상도 이미징 기술로 활용될 것입니다.