[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 빛은 전기장과 자기장이 서로 얽혀 진동하며 나아가는 파동이다. 파동의 길이가 매우 짧은 극자외선은 눈으로 직접 볼 수는 없지만 여러 분야에서 유용하게 사용된다. 

27일 기초과학연구원(IBS·원장 김두철)에 따르면 IBS 김경택 초강력 레이저과학 연구단(광주과학기술원 물리광과학과) 교수팀은 기존 물리 이론으로 설명되지 않은 새로운 극자외선 발생 경로를 규명했다. 

연구결과는 광학 분야 세계적 권위지인 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’ 온라인판에 지난 25일 실렸다.

연구진은 펨토초 레이저를 이용해 헬륨 원자 극자외선의 특성을 분석했고, 이 빛이 좌절된 터널링 이온화를 통해 발생한다는 것을 밝혔다. 좌절된 터널링 이온화를 통해 발생하는 극자외선의 위상은 전자의 운동에 의해 결정된다. 펨토초 레이저를 이용하면 전자 하나하나를 제어할 수 있기 때문에 결국 극자외선의 위상을 제어할 수 있게 된다. 이를 통해 강력한 결맞은 극자외선을 생성할 수 있다. 2018.09.27. [자료=IBS]

연구진은 광원에서 강력한 빛을 가하게 되면 기존의 다중광자흡수 현상과 다른 새로운 경로로 극자외선이 발생한다는 사실을 발견했다. 1000조 분의 1초라는 찰나의 순간에 빛을 가하는 펨토초 레이저를 이용해 발생시킨 극자외선은 기존과 달리 레이저의 위상 변화에 따라 세기와 발생방향이 달라지는 특성을 보였다. 

특히 기존 다중광자흡수 현상은 극자외선 발생 과정에서 광원의 세기가 고려되지 않은 만큼 이번 연구가 광(光)물리학 연구의 근본적인 이해를 넓힌 셈이다. 

나아가 세기와 방향을 조절할 수 있는 극자외선의 특징을 이용함으로써 산업계에서 요구하는 더 강력한 극자외선 광원 개발도 가능하다. 초미세 공정을 통해 초고정밀‧초고성능 반도체 시대를 견인할 수 있다는 의미다.  

극자외선은 파장이 10∼120나노미터(nm‧1nm는 10억 분의 1m)에 불과한 빛을 말한다. 짧은 파장을 이용해 반도체 기판에 회로를 조밀하게 그려내는 극자외선 리소그래피, 나노미터 해상도로 물질을 관측하는 극자외선 이미징에 활용된다. 

극자외선 리소그래피 기술이 본격 상용화되면 반도체의 성능과 전력 효율을 향상시킬 수 있고, 회로 형성을 위한 공정수가 줄어 생산성도 획기적으로 높일 수 있다. 또 극자외선을 쪼여 물질의 물성을 파악하는 분광학 연구에도 유용하게 사용된다. 

하지만 극자외선을 다양한 분야에 활용하려면 결맞음성(Coherence)이 갖춰져야 한다. 인공적인 빛은 원자 내 전자가 높은 에너지 준위에 놓인 ‘들뜬상태(Excited state)’에서 낮은 에너지 준위에 놓인 ‘바닥상태(Ground state)’로 떨어지는 과정에서 발생한다. 이때 원자가 안정화되며 자연적으로 방출된 에너지는 ‘결맞음성’이 없다. 

반면, 별도의 광원을 이용해 원자에 빛을 가하면 입사파와 동일한 진행방향으로 새로운 빛이 유도 방출된다. 레이저나 통신에 사용되는 전자기파는 모두 결맞음성을 지닌다. 결맞은 빛만이 파장을 증폭시킬 수 있어 빛의 세기를 높일 수 있기 때문이다.

지금까지 ‘다중광자흡수(Multiphoton excitation)’ 현상이 ‘결맞은 극자외선’을 생성할 수 있는 유일한 경로로 알려져 있었다. 다중광자흡수는 별도의 광원을 이용해 원자에 빛을 가하면, 원자가 여러 개의 빛 입자(광자)를 동시에 흡수해 들뜬상태가 된 후, 낮은 에너지 상태인 바닥상태로 이동하면서 결맞은 극자외선을 내놓는 현상이다. 

연구진은 원자에서 완전히 분리된 전자들이 펨토초 레이저의 위상 변화에 따라 서로 보강하거나 상쇄하는 간섭 현상을 일으켰고, 이 때문에 ‘좌절된 터널링 이온화(Frustrated Tunneling Ionization· FTI)’ 극자외선의 세기와 발생 방향이 달라지는 것이라고 설명했다. 이는 전자가 분리되지 않는 다중광자흡수 현상으로는 설명하기 어려운 현상이다. 

기초과학연구원(IBS) 김경택 초강력 레이저과학 연구단(광주과학기술원 물리광과학과) 교수 2018.09.27. [사진=IBS]

김경택 교수는 “IBS 연구진이 개발해온 펨토초 레이저는 세계적으로도 극소수의 연구실만이 가지고 있는 최첨단 기술”이라며 “새로운 광원의 발견은 종종 새로운 학문 분야의 탄생으로 이어지는 만큼 이번에 규명한 극자외선이 무궁무진한 관련 연구로 확장될 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

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