원자수준 양자광학용 나노안테나 개발

-. 연구를 시작한 계기나 배경은?
▲연구책임자가 UC Berkeley 박사과정 시절 전자빔 리소그래피를 이용해 나노 공정을 진행하던 중, 패터닝이 실패한 샘플을 발견하면서부터 시작됐다. 링 형태의 나노구조를 제작하기 위해 전자빔 노광을 진행한 후, 현상 과정을 거치면서 실수로 현상액에 오랜 시간 담가두었더니 포토레지스트 이중층 구조가 넘어지는 것을 관찰했고, 구조가 랜덤한 방향으로 넘어지면서 외벽에 기대었을 때 매우 뾰족한 공간이 형성되는 것을 볼 수 있었다. 일반적이 공정이라면, 이렇게 포토레지스트 구조가 넘어지게 되면 원하는 형상대로 패터닝이 되지 않기 때문에, 실패한 샘플로 여기고 바로 포토레지스트를 제거하는 것이 맞으나, 본 연구팀은 반대로 이러한 현상을 활용할 수 있는 새로운 개념의 나노공정을 개발할 수 있지 않을까 고민하게 됐다.

-. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)했는지?
▲앞서 언급한 것과 같이 통상적으로 ‘실패한’ 샘플을 관찰하면서 시작했기 때문에, 왜 구조가 넘어지게 되는지 그리고 이 넘어지는 경향성을 어떻게 조절할 것인지 등에 대한 근원적인 질문들을 하나씩 해결해나가야만 했다. 이러한 궁금증들을 하나씩 해결해 나감과 동시에 ‘도미노’ 놀이에서 얻은 창의적인 영감을 바탕으로 매우 뾰족한 형태의 나노안테나를 구현할 수 있겠다는 아이디어를 도출하게 됐다. 그리고 실제 실험을 통해 나노안테나를 제작해보니, 매우 뾰족하면서 동시에 매우 미세한 수 나노미터 수준의 간극을 갖는 극한 형태의 나노구조를 관찰할 수 있었다. 그 이후에, 이 구조에서 극한으로 집속되는 빛을 3D 전자기 시뮬레이션 및 고급 광학 측정 실험을 통해 하나 하나 검증해나갈 계획을 세웠다. 하지만, 원자수준으로 작고 뾰족한 나노구조의 극한 광 특성을 검증하는 것은 매우 어려운 문제였다. 이 과정에서 국내외의 많은 나노광학 이론/실험 및 센서 분야의 전문가들의 조언과 협력연구를 바탕으로 6여년의 긴 연구를 성공적으로 마무리할 수 있었다.

-. 이번 성과, 무엇이 다른가?
▲‘쓰러짐 제어 리소그래피(Controlled Collapse Lithography)’ 및 ‘연속 도미노 리소그래피(Cascade Domino Lithography)’ 기술은 전 세계에서 처음으로 개발된 리소그래피 기술임과 동시에 이를 통해 제작된 나노안테나는 원자수준으로 작고 뾰족한 형태(1 nm 수준의 곡률 반경)를 갖고 있다. 피뢰침 효과에서 볼 수 있는 것과 같이 빛은 뾰족한 나노구조 끝단에 모이려는 특성을 갖고 있기 때문에, 끝단이 뾰족한 나노구조 두 개가 마주보고 있는 나비넥타이 모양의 안테나는 빛을 태양표면 에너지 밀도의 100만 배에 해당하는 극한 세기를 갖도록 집속 시킬 수 있었다. 그리고 이렇게 강하게 집속되는 빛의 특성을 분석하기 위해 시행한 엄밀한 3D 전자기 시뮬레이션, 수치해석, 근접장 광학 실험 및 초고민감도 표면증강 라만센서 실험들을 통해 10 nm 미만에서 일어나는 극한 광학 현상에 대한 이해를 한 차원 더 확장할 수 있었다. 학계에서는 이러한 노력의 결과를 인정받아, 세계적인 재료공학 분야 학술지인 ‘머티리얼즈 투데이 (IF: 24.372, JCR 2% in Materials Science, Multidisciplinary)’와 나노공정 분야 학술지인 ‘마이크로시스템즈 & 나노엔지니어링 (IF: 5.616, JCR 5% in Instruments & Instrumentation)’에 연구 결과가 게재될 수 있었던 것이라 판단된다.

-. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
▲수 나노미터 또는 그 이하의 영역에서는 빛과 물질 사이의 상호작용이 고전 광학만으로는 설명되지 않는 양자 플라즈모닉스(quantum plasmonics), 광학 비국소성(nonlocality) 빛과 전자의 터널링(tunneling) 및 강한 커플링(strong coupling) 현상 등이 발생한다고 이론적으로 잘 알려져 있다. 본 연구팀은 개발한 극한 광 집속 나노 안테나를 바탕으로 실험적으로는 아직 잘 밝혀지지 않은 이 미지의 극한 광학 영역을 탐구하기 위한 나노광학 플랫폼을 구현하고자 한다. 또한 이와 더불어 단일 나노미터 수준의 해상도를 갖는 나노리소그래피 기술 및 양자 정보 기술을 위한 고효율 단일 광자 소스 등과 같은 새로운 나노공학 분야를 개척해나가고자 한다. 더 나아가서는, 본 연구에서 개발한 나노공정을 바탕으로, 현재 반도체 및 파운드리 산업에서도 가장 중요한 이슈 중에 하나인 한 자릿수 나노미터 구조 정밀 가공 한계를 극복할 수 있는 범용 나노가공 기술을 개발 및 상용화하고자 한다.