[R&D르네상스] 원자 수준으로 뾰족한 양자광학용 나노안테나

포항공과대학교 노준석 교수팀이 수 나노미터 수준에서 일어나는 양자광학 현상에 대한 관찰이 가능한 초고밀도로 빛을 모으는 나노광학 안테나 개발에 성공했다.

새로운 광학 현상을 탐구하기 위해서는 10nm 미만의 크기의 구조를 정교하게 제작하고 배열하는 기술이 필수적이기 때문에 많은 연구자가 다양한 비전통적 나노가공 기술을 개발하고 있지만, 전자와 이온의 물리적인 회절 문제로 인해, 10nm 이하의 나노구조를 정교하고 날카롭게 제작・가공하는 것은 극히 어려운 문제로 여겨지고 있다. 이는 일반 기계 가공에서 공구의 크기가 제작물의 크기를 제한하는 이유와 동일하다.

이에 노준석 교수팀은 이러한 난제를 해결하기 위해 ‘도미노’ 놀이에서 영감을 얻어 새로운 방식의 ‘연속 도미노 리소그래피’를 개발하였다. 이는 포토레지스트(빛 또는 전자빔에 노출됨으로써 화학적 특성이 변하는 고분자 재료)로 기둥 형태의 구조들을 만들어서, 이를 모세관력을 통해 고의로 쓰러뜨려 구현하고자 하는 나노패턴을 만들어 내는 새로운 형태의 나노공정 기술이다. 이를 통해 기존 전자빔 리소그래피(전자빔을 강한 전압을 통해 집속 시켜서 나노미터 수준의 패턴을 가공할 수 있는 나노공정 기술)에서 제약받는 해상도를 원자 수준으로 뾰족하게 만들어 나비넥타이(bowtie) 형태의 나노안테나를 개발하는 데 성공하였다.

‘쓰러짐 제어 리소그래피’ 및 ‘연속 도미노 리소그래피’ 기술은 전 세계에서 처음으로 개발된 리소그래피 기술임과 동시에 이를 통해 제작된 나노안테나는 원자 수준으로 작고 뾰족한 형태(1 nm 수준의 곡률 반경)를 갖고 있다.

이에 노준석 교수는 피뢰침 효과에서 볼 수 있는 것과 같이 빛은 뾰족한 나노구조 끝단에 모이려는 특성이 있으므로, 끝단이 뾰족한 나노구조 두 개가 마주 보고 있는 나비넥타이 모양의 안테나는 빛을 태양표면 에너지 밀도의 100만 배에 해당하는 극한 세기를 갖도록 집속 시킬 수 있었다고 전하며 이렇게 강하게 집속되는 빛의 특성을 분석하기 위해 시행한 엄밀한 3D 전자기 시뮬레이션, 수치해석, 근접장 광학 실험 및 초고민감도 표면증강 라만센서 실험들을 통해 10nm 미만에서 일어나는 극한 광학 현상에 대한 이해를 한 차원 더 확장할 수 있었다고 밝혔다.

극한 광 집속 나노안테나는 이러한 극한 나노광학 연구뿐만 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.