화학과 김광수 교수팀이 세계 최초로 머리카락 굵기보다 수백 배 작은 나노미터(nm)급 렌즈의 합성에 성공했다.

연구팀은 이 렌즈의 특성을 연구한 결과, 그 크기가 빛의 파장만큼 작을 때 기하광학에서는 불가능한, 이론적 한계(회절한계)보다 더 작은 크기도 뚜렷하게 식별할 수 있다는 획기적인 새로운 물리 현상을 밝혀냈다.

 

김광수 교수의 주도하에 박사과정 이주영 씨, 홍병희(당시 박사과정생, 현 성균관대 교수) 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 운영하는 ‘글로벌연구실(Global Research Lab)’ 사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 세계 최고 권위의 과학저널인 <네이처> 7월 23일자에 게재되었다.

유기물질인 칼릭스하이드로퀴논 분자는 자기조립을 통해 나노미터 크기의 단면 볼록렌즈를 형성하는데, 이 나노렌즈는 회절과 간섭에 의해 표면 부근에서 빛의 경로가 곡선 궤적을 그리며 매우 짧은 초점거리를 가져, 기존 현미경의 회절한계를 넘어 미세 패턴의 뚜렷한 확대 이미지를 얻을 수 있음을 보였다.

유기나노구조에 대한 연구를 진행하면서 이 유기분자가 볼록렌즈 모양으로 형성되는 것을 발견했으며, 이들이 실제 광학 렌즈로서의 역할을 할 수 있는지 여부를 확인하는 연구를 수년간 진행해 왔다.

현미경에서 상을 구분할 수 없는 미세패턴을 이용하여 광학실험을 진행하는 한편, 정확한 전자파 시뮬레이션을 통해 실험에서 얻은 나노렌즈의 특이한 광학 현상을 입증하고, 이에 대한 새로운 물리적 현상을 규명했다.

빛의 파장 길이의 반보다 작은 두 물체 간의 거리는 일반 광학렌즈로는 분간할 수 없으며, 이 같은 극한치를 ‘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 밝혀내, 관련 연구에 있어 새로운 나노 광학의 한 영역을 개척한 성과로 평가받고 있다.

나노렌즈의 광학적 특성은 특히 미세 구조의 이미지 확대, 구조 분석에 필요한 신호 강화, 광학 식각(lithography) 기술 향상 등에 다양하게 활용이 가능하며, 차세대 나노광학소자 개발에도 응용될 수 있을 것으로 전망된다.

이번 연구는 보다 정확한 검증을 위해 글로벌연구실 사업의 공동연구자인 필립 김(Philip Kim, 미국 컬럼비아대) 교수 등도 참여했다. 화학․물리․기계공학 분야의 학제간 융합을 통해 이루어진 이번 연구는 국내외 우수 연구자들 간 학제간 융합연구의 모범적인 모델로 자리매김할 것으로 기대된다.

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

※ 회절한계 : 렌즈의 초점거리와 크기에 따라 렌즈를 통해 분간해낼 수 있는 상(像)의 크기의 한계. 일반적으로 빛의 파장의 반 이하의 거리가 되면 이론적으로 렌즈로 구분이 불가능하다.