원자수준으로 뾰족한 양자광학용 나노안테나 개발

[오픈뉴스] 국내연구진이 수 나노미터 수준에서 일어나는 양자광학 현상에 대한 관찰이 가능한 초고밀도로 빛을 모으는 나노광학 안테나 개발에 성공했다.

과학기술정보통신부(장관 최기영)는 포항공과대학교(총장 김무환) 노준석 교수팀이 원자수준 해상도의 나노안테나 및 이를 제작하기 위한 나노공정 기술을 개발하였다고 밝혔다.

이는 현존하는 나노공정 기술의 한계를 극복하는 연구성과로써 극한 나노광학 및 나노생산 기술에 기여할 수 있다는 가능성을 인정받아 세계적인 재료공학 분야 학술지인 ‘머티리얼즈 투데이’ (Materials Today, IF=26.416)에 9월 2일 표지논문으로 게재되었고, 나노생산 분야 학술지인 '마이크로 시스템즈 & 나노엔지닝어링‘ (Microsytems and Nanoengineering, IF=5.616)에 9월 21일 게재 예정이다.

새로운 광학 현상을 탐구하기 위해서는 10nm 미만의 크기의 구조를 정교하게 제작하고 배열하는 기술이 필수적이기 때문에 많은 연구자들이 다양한 비전통적 나노가공 기술을 개발하고 있지만,

전자와 이온의 물리적인 회절 문제로 인해, 10nm 이하의 나노구조를 정교하고 날카롭게 제작・가공하는 것은 극히 어려운 난제로 여겨지고 있다. 이는 일반 기계가공에서 공구의 크기가 제작물의 크기를 제한하는 이유와 동일하다.

연구진은 이러한 난제를 해결하기 위해 ‘도미노’ 놀이에서 영감을 얻어 새로운 방식의 ‘연속 도미노 리소그래피’ 기술을 개발하였고, 이를 통해 기존 전자빔 리소그래피에서 제약받는 해상도를 원자수준으로 뾰족하게 만들어 나비넥타이(bowtie) 형태의 나노안테나를 개발하는 데 성공하였다.

일반적인 나노구조 제작에 사용되는 전자빔 리소그래피 기술을 기반으로, 도미노에서 일어나는 구조의 쓰러짐 현상을 포토레지스트 구조에 의도적으로 접목시켜, 쓰러진 구조의 선과 선이 만나는 곳의 이상적인 뾰족한 부분을 활용, 1nm 이하의 곡률을 갖는 뾰족한 나노구조를 제작한 것이다.

이 나노안테나는 1nm 이하의 곡률을 갖는 것과 동시에 5nm 정도의 나노갭(nanogap) 공간을 갖고 있으며, 이 미세 공간상의 빛은 5만 배 이상의 세기를 가지며 극한으로 집속(태양표면 에너지 밀도의 100만 배에 해당)된다.

이렇게 강하게 집속되는 빛을 바탕으로 단분자 수준을 검출할 수 있는 초고민감도 바이오센서를 실험적으로 구현하였고,현재는 양자광학적 특성인 양자 플라즈모닉스 및 강한 결합 현상 등을 관찰할 수 있는 극한 나노 및 양자광학 플랫폼을 마련하여 후속 연구를 진행하고 있다.

극한 광 집속 나노안테나는 이러한 극한 나노광학 연구뿐 만 아니라, 현재 반도체 및 파운드리 산업에서 가장 중요한 이슈 가운데 하나인 단일 나노미터 수준의 해상도를 갖는 나노리소그래피 기술, 그리고 양자 정보 기술을 위한 고효율 단일 광자 소스 등과 같은 새로운 나노공학 분야를 개척할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구성과는 과기정통부 글로벌프런티어사업(파동에너지극한제어 연구단), 중견연구자지원사업, RLRC사업(자율형자동차부품소재 청색기술 선도연구센터), ERC사업(광기계기술 선도연구센터), 미래소재디스커버리사업, 글로벌박사펠로우십 등의 지원을 받아 수행되었다.