나노미터급 렌즈 세계 첫 합성 성공

포스텍 화학과 김광수 교수팀이 세계 최초로 머리카락 굵기보다 수백배 작은 나노미터급의 렌즈 합성에 성공했다.

연구팀은 이 렌즈의 특성을 연구한 결과, 렌즈의 크기가 빛의 파장만큼 작아질 때 기존의 기하광학에서는 불가능한 이론적 극한치(회절 한계)인 빛의 반파장보다 더 작은 크기를 식별할 수 있는 초해상도를 보여주는 새로운 물리 현상을 밝혀냈다.

김 교수의 주도하에 박사과정 이주영씨와 홍병희 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 운영하는 '글로벌연구실' 사업의 지원 아래 수행됐으며 연구 결과는 세계최고 권위의 과학저널인 네이처지에 23일 게재됐다.

김 교수팀은 유기물질인 칼릭스하이드로퀴논 분자는 자기 조립을 통해 나노미터 크기의 단면 볼록렌즈를 형성된다는 것을 발견하고 렌즈 크기가 빛의 파장과 비슷하게 되면 빛은 회절과 간섭 현상을 통해 상식과는 달리 빛의 경로가 곡선 궤적을 그려 나노렌즈가 매우 짧은 초점거리를 가지게 되는 초굴절현상을 처음 밝혔다.

나노렌즈의 이러한 특징은 기존 광학 현미경에서는 구분할 수 없는 미세 패턴이 뚜렷이 확대된 이미지로 얻어져 기존의 광학적 한계를 넘는 해상도를 보여 주었으며 정확한 전자파 시뮬레이션을 통해 실험에서 얻은 나노렌즈의 특이한 광학 현상을 입증하고 이에 대한 새로운 물리적 현상을 이론적으로 규명했다.

빛의 파장 길이의 반보다 작은 두 물체 간의 거리는 일반 광학렌즈로는 분간할 수 없으며 이 같은 극한치를 광학적 '회절 한계'로 부른다. 그러나 이번 연구 결과에서는 나노렌즈가 이 회절 한계를 넘어 빛의 파장(400-700nm)의 절반보다 더 작은 간격을 식별할 수 있음을 밝혀냈다.

이러한 회절한계를 넘는 것은 기존에 제안된 다른 방법들과는 전혀 다르게 렌즈가 나노 크기로 작아짐에 따른 예상외의 초굴절 나노 광학현상으로 새로운 이론에 기초한 새로운 한 영역을 개척한 성과로 평가받고 있다.

김 교수는 "나노렌즈의 광학적 특성은 일반 광학 현미경으로 관측하지 못하던 나노 및 미세 바이오 물질의 구조 이미지 해석, 미세 구조 분석을 위한 분석신호의 강화, 나노소자 개발에 필요한 광학적 패턴 또는 기술 향상, 빛의 집적 등 다양한 활용이 가능하며 차세대 나노광학 메모리 및 감지 소자 개발에도 응용될 것으로 전망된다"고 말했다.

포항·이상원기자 seagull@msnet.co.kr

▶회절(回折·diffraction)= 입자가 아닌 빛, 소리와 같은 파동에서만 일어나는 현상. 파동이 장애물에 부딪쳐 퍼지거나, 장애물의 작은 틈이나 구멍을 통과하면서, 일부 굴절에 의한 장애물 통과 및 장애물 주변 및 뒤쪽까지 돌아가는 현상이다. 회절의 정도는 장애물과 장애물 틈의 크기와 파장에 영향을 받는다.

▶회절한계= 렌즈를 통해 분간해 낼 수 있는 두 물체 간의 최소 거리는 빛의 회절현상에 의하여 빛 파장의 반 이하가 되면 그 구분이 불가능하다.