나노입자 기반 광학렌즈 3배 성능 슈퍼렌즈 기술 개발

산란 슈퍼렌즈의 모식도. 무작위 나노 입자로 구성된 층에 들어가는 레이저를 제어하면 수많은 산란 후 빛이 한 점에 모일 때, 빛의 회절 한계를 뛰어넘는 광초점을 형성할 수 있다.

아주경제 이한선 기자= 국내 연구진이 빛의 산란을 이용해 기존 광학렌즈보다 3배 뛰어난 해상도의 나노입자 기반 신개념 슈퍼렌즈 기술을 개발했다.

미래창조과학부는 박용근 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수와 조용훈 교수 연구팀이 이같은 슈퍼렌즈를 개발해 100nm 크기의 세포내 구조와 바이러스 등을 볼 수 있는 것은 물론 광통신, 최첨단 반도체 공정 등에 응용이 가능할 것으로 기대된다고 29일 밝혔다.

이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실사업의 지원으로 수행돼 연구결과는 네이처 포토닉스 28일자 온라인판에 게재됐다.

일반적인 광학렌즈는 빛의 굴절을 이용해 빛의 파장보다 작은 초점을 만들 수 없어 가시광선 영역에서 200~300nm보다 작은 물체는 관찰할 수 없는 한계가 있다.

빛의 파장의 2분의 1보다 작은 나노크기 물체는 이미지 형성이 가능한 주요정보를 포함하고 있는 산란광 대부분이 물체 주변에만 머물러 있어 광학현미경으로는 분간이 되지 않는다.

물체 주변에 머무르는 산란광을 멀리 진행하도록 조정하는 것이 광학현미경 해상도 한계극복의 관건이었다.

한계극복을 위해서 메타물질 등을 이용해 굴절률을 높이는 등 연구가 있었으나 경제성이 떨어지는 단점이 있었다.

연구팀은 빛의 위상을 조절해 나노입자를 통과한 산란광을 정밀하게 조정해 초고해상도 초점을 형성할 수 있는 산란 슈퍼렌즈에 대한 개념을 실험적으로 구현했다.

산란 슈퍼렌즈는 쉽게 구할 수 있는 락카 스프레이를 유리에 뿌리는 방식으로 제작해 빛이 나노입자 층을 통과해 나오는 산란광의 분포를 파악하고 임의로 빛의 위상을 제어할 수 있는 파면조절기를 통해 빛의 위상을 조정해 초고해상도 초점을 형성했다.

산란광들을 정밀하게 조절하는 방식으로 발상의 전환을 통해 값싸고 응용성이 높은 초고해상도 이미징 기술을 개발한 것이다.

이번 연구는 신종화 KAIST 신소재공학과 교수, 고승환 KAIST 기계공학과 교수, 남기태 서울대 재료공학과 교수 등 다양한 분야의 연구팀이 참여했다.

공동 제1저자인 KAIST 박정훈씨와 박충현 박사는 “산란을 이용해 빛을 제어해 초고해상도 초점을 형성한 것으로 나노광학 산업계에 종사하는 연구자에게 실질적인 도움이 될 것으로 기대한다”며 “이미징 외에도 반도체 공정의 리소그래피, 광통신 등의 분야에서도 적극 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.