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SetSectionName(); [이달의 과학기술자상] 김승우 KAIST 기계공학과 교수 세계 첫 소형 극자외선 레이저 개발인체조직등 나노크기 측정에 획기적 성과생물학·분광학등 다양한 분야서 응용 가능 성행경기자 saint@sed.co.kr 김승우 KAIST 기계공학과 교수가 연구실에서 지도하는 대학원생과 연구 내용에 대해 대화를 나누고 있다. ImageView('','GisaImgNum_1','default','260'); 반도체 장비를 제조ㆍ검사하거나 인체 조직을 관찰ㆍ측정하는 데는 빛의 파장이 짧은 자외선 영역에서 만들어진 레이저 광원이 필요하다. 기존의 결맞는(coherent) 극자외선 레이저 광원은 방사광 가속기(Synchrotron) 또는 자유전자레이저(Free Electron Laser)와 같은 대형 시설을 통해서만 구현이 가능해 산업 현장에서 사용하는 데 있어 시간ㆍ공간 및 가격 측면에서 많은 제약을 가지고 있었다. 최근 들어 강한 레이저 장과 원자와의 상호작용을 이용한 고차조화파 원리를 기반으로 실험실 단위에서도 극자외선 레이저를 개발하려는 연구가 활발하게 이뤄지고 있지만 고차조화파 원리 역시 고가의 복잡한 고출력 레이저 증폭단계를 필요로 하는 한계가 있었다. 김승우 KAIST 기계공학과 교수는 복잡한 고출력 레이저 증폭단계를 거치지 않고도 직접 고차조화파를 발생시키는 기술을 개발, 장비의 크기를 소형화했을 뿐 아니라 산업적 응용 가능성을 확대하는 데 성공해 주목을 받고 있다. ◇세계 최초 플라즈몬 공명현상 이용한 소형 극자외선 레이저 개발=김 교수는 나노 크기의 금속 구조에서 발생하는 '플라즈몬 공명 현상'을 이용해 빛을 100배 이상 수준으로 증폭시켜 단일 펨토초 레이저 오실레이터(공진기)만으로는 구현할 수 없었던 10-13 W/㎝2 이상의 광 강도를 갖는 레이저 장을 형성하고 이를 이용해 고차조화파 발생을 기반으로 하는 초소형 결맞는 극자외선 광원을 구현하는 데 성공했다. 플라즈몬 공명 기술은 빛과 도체 내부의 전자 사이의 상호작용으로 나타나는 현상으로 입사된 레이저 장(field)의 크기보다 수백~수천 배 이상 큰 레이저 장이 근접장 영역에서 나타나는 현상을 말한다. 이러한 플라즈몬 공명 기술은 빛을 증폭시키는 동시에 빛을 회절한계 이하의 크기로 모을 수 있다. 고차조화파는 강한 레이저 장에 의해 원자가 이온화되고 원자로부터 탈출한 전자가 다시 원자와 재결합하는 과정에서 발생된 에너지가 원래 레이저 주파수의 홀수배에 해당되는 여러 주파수에 걸쳐 나타나는 현상을 말한다. 이론적으로 고차조화파가 발생되려면 10-13 W/㎝2 이상의 높은 레이저 광강도가 필요하다. 일반적인 단일 펨토초 레이저 오실레이터로는 10-11 W/㎝2 수준의 광 강도 이상을 얻기 어렵기 때문에 현재 거의 모든 고차조화파 연구에서는 처프 펄스 증폭기술(Chirp Pulse Amplification)을 적용한 여러 단계의 크고 복잡한 레이저 증폭기를 사용해 10-13 W/㎝2 이상의 광강도를 갖는 펨토초 레이저 시스템을 만든다. 처프 펄스 증폭기술은 고차조화파를 생성하는 데 충분한 광 강도를 얻기 위해 가장 일반적으로 사용되는 기술이다. 하지만 이를 구현하기 위해서는 고출력 펌핑 레이저와 복잡한 광학시스템이 필요하고 현재 펌핑 레이저 기술로는 빠른 반복률(Repetition Rate)을 가지는 레이저를 구현할 수 없는 한계가 있다고 김 교수는 설명했다. 그러나 플라즈몬 공명 현상으로 입사된 레이저의 광강도를 100배 이상만 증폭시켜 주는 것이 가능하다면 10-11 W/㎝의 광강도를 갖는 소형 펨토초 레이저 하나만으로도 직접 10-13 W/㎝2 이상의 광강도를 구현하는 것이 가능하다. 복잡한 처프 펄스 증폭기 없이도 고차조화파를 형성함으로써 랩톱(Lab-top) 수준의 작은 크기로 광원을 소형화할 수 있는 것. 또한 고차조화파를 생성하는 과정에서 펨토초 레이저가 빠른 반복률을 유지함으로써 광주파수 분광기술에 쓰일 수 있는 극자외선 광 빗(Optical Comb) 특성을 유지할 수 있게 된다. 나노 크기 정도의 아주 미세한 크기나 이동 거리를 측정하기 위해서는 극미세의 측정도구가 필요하다. 일반 레이저는 측정 크기가 10-7이나 10-8 정도에 불과한데 김 교수가 개발한 극자외선 레이저 광원은 10-13에서 10-15 정도의 크기도 측정할 수 있다. 특히 복잡한 고출력 레이저 증폭단계 없이 마이크로 크기 이하의 작은 나노 구조 배열로 광증폭을 구현하는 데 성공, 전세계적으로도 획기적인 연구로 평가된다. 이러한 연구결과는 지난해 6월 세계적인 과학저널인 '네이처'지에 게재됐다. ◇실용화 장비ㆍ시스템 개발에 주력=김 교수의 연구 결과는 세계 최초로 처프 펄스 증폭을 기반으로 하는 고출력 레이저를 사용하지 않고 매우 간단한 시스템만으로 결맞는 극자외선 광원을 생성할 수 있다는 점에서 큰 의미를 가진다. 결맞는 극자외선 광원은 가시광선에 비해 짧은 파장 특성과 높은 광자 에너지를 가지고 있기 때문에 차세대 극초정밀 리소그라피, 고분해능 현미경, 분광학, 생물학 등 매우 다양한 분야에서 필요로 하고 있다. 그러나 현재까지 극자외선을 발생시키기 위해서는 싱크로트론이나 고가의 복잡한 고출력 레이저를 증폭이 필요했기 때문에 사용이 매우 제한적이었다. 따라서 플라즈몬 공명 원리를 통한 극자외선 광원 연구 결과는 광범위한 분야에 있어 결맞는 극자외선 광원의 실질적인 응용을 가능하게 한다는 점에서 큰 파급효과를 가진다. 또 극자외선 영역의 광원은 가시광선 영역의 광원과는 달리 기하광학적인 반사ㆍ굴절ㆍ집속 등을 구현하기 위해서 필요한 광학 재료가 적기 때문에 매우 복잡한 방법을 통해서 이뤄지고 있다. 하지만 김 교수가 개발한 플라즈몬 공명 기반의 극자외선 광원은 매우 작은 나노 구조 하나마다 극자외선이 발생하므로 이러한 나노구조를 적절하게 배열함으로써 다양한 형태로 극자외선 광원을 집광시켜 주거나 분리해낼 수 있다는 점에서 장점이 많다. 김 교수는 "안정화된 펨토초 레이저를 기반으로 해서 발생하는 극자외선 광원은 높은 광원 안정도를 가지고 있어 시간ㆍ주파수 및 길이 표준의 확립 및 광시계 개발에 응용될 수 있다"면서 "앞으로 광원의 출력 에너지를 더욱 높이는 한편 실용화 장비나 시스템 개발로 이어질 수 있도록 연구를 계속해나갈 계획"이라고 말했다. 김 교수는 서울대를 졸업하고 KAIST와 영국 크랜필드대학에서 석ㆍ박사 학위를 받았다. 지난 1985년부터 KAIST 교수로 재직하고 있으며 국내 9건, 국외 6건의 특허를 보유하고 있다. 혼자 웃는 김대리~알고보니[2585+무선인터넷키]
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