오늘의 주제는 회절한계를 극복하는 새로운 플라즈몬 기술에 관한 내용이다. 미국 버클리대 연구원들이 20나노미터 초점으로 20나노미터 물질을 통과할 수 있는 플라즈몬 렌즈를 개발했다. 또한 렌즈와 물체 사이를 20나노미터까지 접근할 수 있는 공기 베어링 기술까지 발견했다. 따라서 향후 식각기술, 영상 이미징 기술, 고품질 검사 기술, 표면 스캐닝 기술, 표면 측정기술, 저장매체 기술, 광통신이나 광컴퓨팅 기술에 일대 혁명이 등장할 것으로 예고하고 있다. 다소 어려운 내용이지만 두세 번 읽다 보면 대략적인 비즈니스 통찰력을 얻을 수 있다.
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[목차]

1. 회절한계(Diffraction limit)란
2. 플라즈몬(Plasmon), 표면 플라즈몬(Surface plasmon)이란?
3. UC 버클리대, 플라즈몬 식각기술(Plasmonic lithography)에 도전
4. 평가와 기대
5. 기존의 레이저 식각, 극자외선 식각, 전자 빔 식각과의 비교 분석
6. 정말 실용적인가, 향후 연구 과제
7. 응용 분야
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1. 회절한계(Diffraction limit)란

회절한계란 빛의 기본 속성 때문에, 그 빛이 갖고 있는 파장의 1/2(half its wavelength, half the wavelength of the light) 이하로 초점을 맞출 수 없다는 것이다. 이 때 초점이란 빛을 초점하면 초점 대상이 되는 물체의 에너지와 파동이 반사되거나, 다른 쪽에서 나오는 빛들은 다르게 보이는데, 이들 다르게 보이는 빛들은 바로 그 물질의 특징적인 광선이 나타난 것으로, 이 광선(optical signals)을 분광계(spectrometer)를 사용하여 처리하면 다양한 화학물질들을 분별하는 하나의 방법이 된다. 이게 바로 1930년 노벨 물리학상을 수상한 Chandrasekhara Venkata Raman(1888-1970)가 1928년에 발견한 라만 효과(Raman Effect)이다. 그런데 만약 물체가 빛 파장의 1/2보다 작으면 회절한계 때문에 볼 수가 없다는 것이다.

또한 초점을 맞추면 초점이 되는 대상의 물체에 선을 긋거나 식각(lithography)을 하거나 잘라 내거나 그 물체의 크기 등을 측정할 수 있는데, 만약 그 물체가 사용하는 빛 파장의 1/2보다 작으면 회절한계 때문에 볼 수가 없어 작업을 할 수 없다는 것이다. 이게 바로 광학 기술의 한계요 도전이다. 지난 100년간 이에 도전하는 많은 과학자들은 그간 2차원에서 회절의 한계를 극복했거나 아니면 특정 파장에서만 볼 수 있는 기술에만 접근했었다.

2. 플라즈몬(Plasmon), 표면 플라즈몬(Surface plasmon)이란?

광자(Photons)는 빛의 입자인데 공간을 통해 에너지와 정보를 실어 나른다. 이는 바로 1929년 전자들의 파동성질에 대한 발견으로(for his discovery of the wave nature of electrons") 노벨 물리학상을 수상한 드브로이(Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie)의 파동-입자의 이중성(Wave-Particle Duality) 또는 이중성원리(二重性原理 duality principle)에 의한 것이다.

그러나 전자(Electrons)는 에너지와 정보를 실어 나르지 않지만 제어하기가 쉽다. 현존하는 최첨단 기술들인 영상 이미징 시스템, 태양 전지, 정보 네트워크들은 바로 자유스러운 광자(footloose photons)와 잘 제어되어 행동하는 전자들(well-behaved electrons) 간의 조절에 의해 가능한 것이다. 그러나 이들 광자와 전자 입자간의 상호작용이 커다란 도전인데, 바로 표면 플라즈몬이다.

플라즈몬(Plasmon)이란 물질 내의 전자들이 동시에 진동하는 현상으로 전자들의 파동(waves of electrons)이라 부른다. 예를 들어 호수에 돌을 던지면 잔물결이 일어나는 현상과 같은 것이다. 표면 플라즈몬(Surface plasmon)이란 호수의 잔물결 같이 물질의 표면에 에너지 파동(energy waves)이 집중되는 현상인데, 이러한 플라즈몬을 일으키는 금속 물질에 빛을 쏘이면 전자들의 파동이 일어나고 그 다음 전자들은 회절한계를 극복하는 하나의 빛을 방출해 이 빛이 특정 전자들의 파동을 통해 통과된다. 이때 전자 파동들의 형태와 움직임은 전적으로 그 금속물질의 성질에 의해 결정되는데, 더욱 작고, 얇고, 나노구슬의 입자일 수록 그 성질은 더욱 독특하다. 예를 들어 일반 광학 결정체들은 특정 광자는 통과시키고 다른 광자들은 막는다. 따라서 새로운 메타물질(Metamaterials, 일반 물질과는 전혀 다른 성징을 보이는 물질)을 이용해 새로운 광학 결정체를 만들면 플라즈몬 형태에서 빛에 포함된 에너지의 흐름을 원하는 대로 조절할 수 있다.

[그림 : 테라헬츠파 필터(T-Ray filter). 테라헬츠파(Terahertz radiation)는 금속물질 내의 전자들을 통해 통과한다. 금속물질 시트에 테라헬츠파를 쏘이면, 금속 물질 시트 내의 구멍 주위에 전자파들이 원을 그리고, 그 다음 전자들은 회절한계를 넘어 초점이 되는 하나의 빛을 방출해, 이 빛은 전자 파동의 특정 주파수에 따라 나누어 통과되므로, 여기에 다양한 정보들을 엔코딩(encoding)하여 무선 통신망에 사용할 수 있다. 따라서 무선 통신의 용량을 기존보다 1,000배 이상 높일 수 있다. Credit: Bryan Christie]

[참고]

[INT & BNT 융합기술, 테라헬츠파 튜닝하기(Tuning Terahertz). 단거리에서 사용할 수 있고, 에너지가 없어 인체에 무해한, 기존의 X-선보다 더욱 고선명의 영상을 찍을 수 있는, 그리고 기존의 무선 전자파보다 더욱 빠른 극초고속의 무선 통신(ultrafast wireless communication)을 가능케 하여 오늘날의 무선 신호보다 수천 배 이상의 정보를 실어 나를 수 있는 테라헬츠파에 도전, 미국 로스알모스연방연구소(LANL), 보스톤컬리지(Boston College) 및 보스톤대학(Boston University)의 과학자들, 테라헬츠 튜너(Terahertz tuner) 발견, 2008년 4월 13일자 Nature Photonics 지 온라인판에 "Experimental demonstration of frequency-agile terahertz metamaterials(민첩한 테라헬츠파 메타물질의 실험적 데모)라는 논문으로 발표(A new device gives researchers unprecedented control over an unwieldy part of the spectrum(30/Apr/2008), 02464-NBIT]

['신비의 전자기파' 실용화 한국이 앞당겼다. 서울대 연구팀, 4세대 주파수 ‘테라헬츠파(㎔)’ 연구결과 발표. 주파수 기가헬츠파(GHz)의 1천 배, 향후 생명공학 및 통신기술 활용에 무궁무진, 테라헬츠파는 투과성(透過性)이 뛰어 나므로 실용화될 경우 엑스레이(X-Ray) 촬영이나 자기공명단층촬영(MRI) 등에 의존하던 기존의 병리조직 진단이 한층 정교하고 안전해질 것으로 기대(16/Oct/2007), 02352-TRM]

3. UC 버클리대, 플라즈몬 식각기술(Plasmonic lithography)에 도전

빛을 파장으로 전환시키는 소위 플라즈몬을 이용해 빛의 회절한계를 극복하는 기술에 도전하는 사례가 있다. 바로 플라즈몬 식각기술(Plasmonic lithography)로, 플라즈몬 현상으로 생성된 복사(전자파)를 이용해 하나의 물질에 특정 기능을 식각(carve)하는 기술로, 이는 향후 광학 저정매체나 광학 컴퓨팅에 일대 혁명을 예고해, 극대용량 DVDs나 파우어플한 마이크로프로세서가 등장하게 될 것으로 보인다.

미국 University of California, Berkeley의 연구원들이 이에 도전하고 있는데, 이들은 플라즈몬 렌즈(plasmonic lens) 프로토타이프를 개발해 식각 대상의 물질을 가장 근접하게(very colse) 보게 함으로써 그간 존재했던 플라즈몬 식각기술의 한계를 극복하고 있다. 플라즈몬 렌즈로 회절한계를 극복하면 사용하는 빛의 1/2 파장보다 더욱 작은 물체를 볼 수 있으므로 기존에 볼 수 없었던 물질의 작은 부분을 볼 수 있으므로 그 물질에 다양한 식각 뿐 아니라 측정 및 기타 작업이 가능한 것이다.

이 분야에 대가인 기계공학과의 Xiang Zhang과 David Bogy가 이끄는 연구팀은 소위 이들이 말하는 하나의 날아 다니는 플라즈몬 렌즈(a flying plasmonic lens)를 개발했는데, 이는 빛을 집중시키는 빛 집중기 어레이(an array of light concentrators)로, 20나노미터 크기(a height of only 20 nanometers)에 불과한 하나의 표면(a surface)을 통해 빛이 통과하는 것이다. 이 빛 집중기는 은 박막(a thin film of silver) 위에 집중시키는 원(circles) 형태로 패턴화되어 있어, 여기에 하나의 레이저를 쏘이면 빛 집중기의 전자들이 표면에서 진동(oscillate)하게 된다. 진동하는 전자들은 그 다음 하나의 빛을 방출(emit a type of radiation)하는데, 이 빛은 기존의 광학기계들이 갖고 있던 회절한계를 넘어선 더욱 날카로운 초점으로 특정 전자 파동를 통해 통과하는데, 렌즈 표면으로부터 통과해 100나노미터까지만 이동하게 된다.

[그림 : 날아 다니는 렌즈(As the lens flies). 이 시뮬레이션은 고해상도 광학 식각(high-resolution optical lithography) 기술에 필요한 프로토타이프 디바이스의 주요 구성 요소인 마이크로크기의 베어링 주위에서 어떻게 공기가 움직이는지를 보여주고 있다. 붉은 선은 디바이스 주위의 공기 흐름을 보여주고 있는데, 검정 청색(dark blue)에서 붉은색으로의 변화는 공기의 압력인 저->고압력을 보여준다. 공기에 의해 떠 있는 렌즈는 빛에 민감한 화학물질이 코팅된 하나의 회전하는 디스크의 20나노미터 거리 내에 항상 있도록 해준다. Credit: Xiang Zhang]

연구원들은 이 플라즈몬 렌즈를 하나의 디바이스 위에 올려 놓았는데, 이는 바로 소위 말하는 공기 베어링(air bearings)으로 사용할 수 있다. 이 디바이스의 형태(the shape of the device)는 디바이스 아래에 하나의 공기 쿠션(a cushion of air)을 일으켜 형성토록 하는데, 이 때 렌즈는 하나의 대상 표면으로부터 20나노미터까지 접근할 수 있다. 이들이 연구한 내용은 Nature Nanotechnology 2008년 10월 12일자 온라인판(AOP)에 "Flying plasmonic lens in the near field for high-speed nanolithography(고속 나노식각기술을 위한 근접거리에서 날아 다니는 플라즈몬 렌즈)"(Srituravanich & Zhang et al., Nature Nanotechnology, 2008)1)라는 논문으로 발표되었다. 특히 형성된 공기 베어링은 렌즈로부터 20나노미터 떨어진 하나의 원반 디스크를 초당 4-12미터 속도로 회전하게 한다는 것인데, 이는 바로 음반 레코드 위에 있는 바늘을 잡고 있는 팔을 그 만큼 조절이 가능하다는 얘기이다.

1) Srituravanich, Werayut, Liang Pan, Yuan Wang, Cheng Sun, David B. Bogy & Xiang Zhang, "Flying plasmonic lens in the near field for high-speed nanolithography(고속 나노식각기술을 위한 근접거리에서 날아 다니는 플라즈몬 렌즈)", Nature Nanotechnology,
Published online: 12 October 2008, Corrected online: 4 November 2008, doi:10.1038/nnano.2008.303.

4. 평가와 기대

Harvard University의 자연과학부 Kenneth Crozier 교수는 이에 대해 버클리의 공기 베어링 기술은 오늘날 플라즈몬 기술이 갖고 있던 기술적 한계 중 하나를 극복한 멋진 기술이라고 칭찬한다. 지난 수 년간 Crozier 교수와 동료들은 이에 도전했으나 실제적인 근접 거리까지 접근하지 못하고 모두 실패했었다. 따라서 버클리의 디바이스는 식각 뿐 아니라 물체의 스캐닝까지 고속으로 처리할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

버클리가 개발한 플라즈몬 렌즈 프로토타이프의 스피드와 정밀도가 어느 정도 되는지 짐작하려면 비행기인 Boeing 747로 비교해보면 된다. 이 디바이스의 정확도는 무려 날아가는 747 비행기가 땅에서 2밀리미터까지 떠 있는 상태까지 볼 수 있는 정밀도이다.

5. 기존의 레이저 식각, 극자외선 식각, 전자 빔 식각과의 비교 분석

플라즈몬 식각기술은 20나노미터 이하의 식각에 필요한 최적의 기술이이라고 Advanced Lithography Center at the University of Albany's College of Nanoscale Science and Engineering의 소장인 John Hartley는 말한다. 기존의 광학 식각(optical lithography)에서는 빛이 원판 형태(a type of stencil)의 하나의 마스크(a mask)를 통해 실리콘 웨이퍼 같은 하나의 물질에 쏘여진다. 이 때 실리콘 웨이퍼에는 포토리지트(Photoresist)라 불리는 빛에 민감한 화학처리가 코팅되어져 있다. 따라서 포토리지스트는 빛이 어디에 와서 닿든지, 닿는 곳 마다 닦아 없애고 그 대신 마스크 패턴을 생성해 낸다. 그러므로 짧은 빛의 파장을 이용하면 보다 선명한 기능을 식각할 수 있으나 실제적으로는 불가능하다고 Zhang은 말한다. 그 이유는 짧은 빛 파장은 고에너지를 갖고 있어 이를 생산해 내는 고가의 레이저가 필요하고, 극자외선(extreme ultraviolet light)의 경우 이를 생산해 내는 광가속기인 싱크로트론(synchrotron)이 필요하다. 전자 빔과 같은 다른 기술들은 마스크 없이 기능들을 정확하게 식각할 수 있으나, 문제는 공정이 느리다는 단점이 있다.

따라서 버클리의 날아 다니는 렌즈는 이들보다 더욱 빠르고, 앞으로 더욱 빠를 것인데, 예를 들어 이번에 만든 플라즈몬 렌즈에는 플라즈몬 렌즈가 16개 들어가 있지만 이를 100,000개로 늘릴 경우 그 속도는 엄청날 것으로 보고 있다.

6. 정말 실용적인가, 향후 연구 과제

현재 이들은 이 기술을 이용해 80나노선을 에칭하는 것을 데모하였다. 이는 현재 첨단 기술보다 다소 넓은 식각 기술이다. 그러나 이에 대해 Zhang은 실제로 거리-제어 시스템(distance-control system)이 가장 어려운 부분이라고 말한다. 따라서 만약 집중이 보다 더 세밀하게 되면 이는 이 기술의 해상도를 높여 줄 것이다.

고해상도 빔은 6나노미터 정도의 기능들을 해결하는 새로운 포토리지스트 기술이 나오지 않는 한 쓸모가 없다. 현재 시장에 나와있는 포토리지스트들은 넓은 빔에 작동되도록 디자인되어 있다. 따라서 Zhang은 앞으로 화학자들과 협력하여 이 문제를 해결하는데 연구를 집중할 예정이다.

7. 응용 분야

이번에 개발된 플라즈몬 렌즈는 식각 기술 분야 뿐 아니라 고해상도 영상 이미징에도 적용할 수 있다. "만약 우리가 50나노미터를 프린트 할 수 있다면 우리는 50나노미터의 영상을 볼 수 있습니다"라고 Zhang은 말한다. 날아 다니는 렌즈는 또한 품질을 검사하거나 표면을 스캐닝하는 탐침(probe)으로보도 사용할 수 있다. 컴퓨터 칩이나 바이오 이미징 기술의 품질 뿐 아니라 분자 수준에서 살아 있는 세포들을 직접 관찰 할 수 있다.

Zhang은 조만간 이 기술을 별도의 기업을 만들어 상용화할 예정이다. 또한 반도체 기업들과 다양한 적용을 위해 협상하고 있다.

[소스]

[Technology Review-Waves of Electrons(Nov/Dec 2008)]
[Technology Review-Lithography Past Light's Limits(07/Nov/2008)]