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말 그대로의 '첨단'…원자 수준의 뾰족한 나노구조물 구현기술 개발

도미노 쓰러지는 원리에서 영감 얻어 나노 안테나 개발
미세 공정 한계돌파…광원 소자 등 새 기술 개발 길 열어

(서울=뉴스1) 김승준 기자 | 2020-09-03 02:00 송고
나노안테나 및 도미노 리소그래피 모식도 (과학기술정보통신부 제공) 2020.09.03 /뉴스1

물체에 뾰족한 끝을 의미하는 '첨단'에 말 그대로 어울리는 광학 안테나가 개발됐다. 1나노미터(nm)이하 수준으로 뾰족한 이 안테나를 이용하면 나노미터 세계에서 일어나는 양자광학 현상을 관찰할 수 있다.

과학기술정보통신부는 포항공과대학교의 노준석 교수팀이 원자수준의 해상도를 가진 나노안테나와 제작 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

이번 연구 결과는 재료공학 분야 학술지 '머티리얼즈 투데이'(Materials Today)에 표지논문으로 게재됐고, 나노생산 분야 학술지인 '마이크로 시스템즈 앤드 나노엔지닝어링'(Microsytems and Nanoengineering)에 21일 게재 예정이다.
  
새로운 광학 현상을 탐구하기 위해서는 10nm 미만의 크기의 구조를 정교하게 제작하고 배열하는 기술이 필수적이기 때문에 많은 연구자가 다양한 나노가공 기술을 개발하고 있다. 문제는 작아지며 전자와 이온의 전기적 반발 등 상호작용 문제로 인해, 10nm 이하의 나노구조를 정교하고 날카롭게 제작·가공하는 것은 난제로 여겨지고 있다.

연구진은 '도미노' 놀이에서 영감을 얻어 발상의 전황을 했다. 처음부터 미세한 뾰족한 구조의 '첨단'을 만드는 게 아니라, 도미노 블록과 같은 상대적으로 만들기 쉬운 구조를 쓰러뜨려 만들어지는 구조적 특성을 이용했다.

이런 접근법을 바탕으로 '연속 도미노 리소그래피' 기술이 개발됐다. 이를 통해 기존 제작법(전자빔 리소그래피)으로는 돌파하기 어렵다고 여겨진 원자수준의 뾰족한 구조물을 만들 수 있었다.

연구진은 '넘어지는' 현상이 의도되도록 설계를 해 최종적으로 나비넥타이(bowtie) 형태의 나노안테나를 개발하는 데 성공했다. 전자빔 리소그래피는 전자빔을 강한 전압으로 쏴줘 나노 단위에서 각종 형상을 만드는 기술이다. 일반적으로 전자빔 리소그래피의 공정 한계는 15~20nm 수준이다.

연구진은 빛 또는 전자빔으로 성질이 변하는 재료(포토레지스트)를 만들고 고의로 도미노처럼 쓰러뜨려 원하는 구조를 만들었다. 일반적인 나노구조 제작에 사용되는 전자빔 리소그래피 기술을 이용해 구조를 만들고 넘어뜨려 쓰러진 구조의 뾰족한 부분을 활용한 것이다. 그 결과 1nm 이하의 곡률을 갖는 뾰족한 나노구조를 제작했다.

이 나노안테나는 1nm 이하의 곡률을 갖는 것과 동시에 서로 5nm 정도 떨어진 나노갭 공간을 갖고 있으며, 이 미세 공간을 이용하면 빛은 5만 배 이상의 세기를 가지며 모일 수 있다.

연구진은 이렇게 강하게 모인 빛을 바탕으로 단분자 수준을 검출할 수 있는 초고민감도 바이오센서를 실험적으로 구현하는 데도 성공했다. 현재는 극한 나노 및 양자광학을 관찰 할 수 있는 플랫폼을 마련해 후속 연구를 진행하고 있다.

극한 광 집속 나노안테나는 이러한 나노광학 연구뿐만 아니라 다양한 활용성이 있다. 연구진은 "반도체 및 파운드리 산업의 중요 기술 중 하나인 나노미터 수준의 해상도를 갖는 나노리소그래피 기술, 양자 정보 기술을 위한 고효율 단일 광자 소스 등 새로운 나노공학 분야를 개척할 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구성과는 과기정통부 글로벌프런티어사업(파동에너지극한제어 연구단), 중견연구자 지원사업, 지역혁신선도 연구센터(RLRC)사업(자율형자동차부품소재 청색기술 선도연구센터), 선도연구센터 지원 공학연구센터(ERC)사업(광기계기술 선도연구센터), 미래소재디스커버리사업, 글로벌박사펠로우십 등의 지원을 받아 수행됐다.


seungjun241@news1.kr