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신기루 현상 착안해 테라헤르츠파 광학렌즈 개발
무더운 여름, 아스팔트 도로에 물웅덩이가 보이다가 가까이 다가가면 사라지고 좀 가다보면 또 물웅덩이가 나타난다. ‘신기루’라고 불리는 이 현상은 지표면 가까운 공기층의 큰 온도차로 인한 공기밀도 변화로 빛이 굴절되기 때문이다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수는 물리학과 안재욱 교수와 신기루 현상에서 착안한 물리적 효과를 이용해 테라헤르츠파 굴절률 분포형 렌즈를 세계 최초로 개발했다.
실리콘 소재를 곡면으로 가공해 만드는 카메라렌즈에 사용되는 기존방식과는 달리 이번에 개발된 렌즈는 평평한 실리콘 웨이퍼를 소재로 반도체 양산공정으로 제작해 비용을 최대 1/100 수준으로 낮출 수 있으며 제작시간도 훨씬 단축시킬 수 있다. 광원 추출효율은 4배 이상 향상시켰다.
테라헤르츠파는 0.1THz~30THz(테라헤르츠, 1조헤르츠) 대역의 전자기파로 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 물체의 내부를 높은 해상도로 정확히 식별할 수 있어 보안검색, 의료영상기술 등 비파괴 검사 도구나 의료용 진단기구의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.
그러나 넓은 대역의 주파수 특성으로 인해 손실되는 전자기파의 비율이 높아 테라헤르츠파를 높은 효율로 집중시킬 수 있는 광학소자 개발이 요구됐다.
정 교수 연구팀은 평평한 실리콘에 테라헤르츠파 파장(약 300㎛) 보다 작은 80~120㎛ 크기의 구멍을 반도체 양산방법인 광식각공정으로 만들었다. 렌즈 가장자리로 갈수록 홀 사이즈는 크게 만들었다.
테라헤르츠파를 쪼이자 공기와 실리콘 중 공기 비율이 높은 가장자리는 굴절률이 낮았으며, 상대적으로 공기의 비율이 낮은 가운데는 굴절률이 높았다. 평평한 소재를 광학특성을 공학적으로 설계해 빛을 모으는 볼록렌즈와 같은 기능을 한 것으로 신기루 현상과 같은 물리적 효과와 같다.
이번 연구를 주도한 정기훈 교수는 “자연현상에서 착안해 자연계에 존재하지 않는 다양한 광학특성을 띄는 메타물질을 인공적으로 만든 것”이라며 “물질적 제약으로 인해 다양한 광학소자개발이 더딘 테라헤르츠파 기술 진보에 상당한 도움이 될 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
미래창조과학부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구자지원사업, 그린나노기술개발사업, 글로벌프론티어사업의 일환으로 수행된 이번 연구는 미국물리협회에서 발간하는 귄위 있는 국제학술지인 ‘어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter)’에 9월자 특집논문 및 표지논문(제1저자 박상길 박사과정)으로 게재됐다.
그림1. 유전체 메타물질을 이용한 실리콘 굴절률 분포형 렌즈. 머리카락 굵기(80~120µm) 수준의 구멍이 실리콘 기판에 서로 다른 크기로 형성돼 있다.
그림2. 굴절률 분포형 렌즈 원리
그림3. 신기루 현상신기루는 아스팔트 도로 위에서 흔하게 나타나는 대기 굴절 현상이다. 이 현상은 도로면이 물체를 반사하는 것처럼 보이게 하는데 이 때문에 도로면에 물웅덩이가 있는 것처럼 착각하게 된다. 아래 사진에는 멀리서 다가오는 차의 상이 도로면을 통해 보인다. <사진 : 경기북과학고등학교 조영우 선생님 제공>
그림4. 논문표지
2014.09.24 조회수 20133 -
고성능 플렉시블 디스플레이 기술 개발
- 금속 나노입자 펨토초레이저 소결공정을 이용한 극미세 금속패턴 제작 -- 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 7월호 게재 -
국내 연구진이 플렉시블 디스플레이 전자소자 제작을 위한 차세대 금속 나노패터닝 기술개발에 성공했다.
우리 학교 기계공학과 고승환·양동열 교수팀이 공동으로 연구한 이번 성과는 기존의 광식각 증착공정을 이용하지 않고 수백나노의 고정밀도 금속 패턴을 펨토초레이저 스캐닝공정을 이용해 단일 디지털 공정으로 제작하는 기술을 개발했다.
이 기술을 이용하면 다양한 기판에서 고정밀 패터닝이 가능해져 유기 전자소자 기술 등과 결합하게 되면 성능과 집적도가 우수하면서도 자유자재로 휘어질 수 있는 고성능 플렉시블 전자소자나 디스플레이 등이 실현될 수 있을 것으로 기대된다.
일반적으로 집적도가 높은 전자소자 제작을 위해서는 고비용의 노광 혹은 광식각 공정이나 고진공 전자빔 공정을 통한 금속 패턴의 제작이 필수적이다. 최근에는 잉크젯 및 롤투롤(Roll to Roll) 프린팅 기술을 이용해 직접 금속 패턴 제작이 시도되고 있다. 그러나 공정 특성상 1㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 이하의 정밀도 달성에는 한계가 있어 고집적·소형화에 불리했다.
연구팀은 3~6nm(나노미터, 10억분의 1미터) 크기의 녹는점이 낮은 은 나노 입자와 열확산을 최소화할 수 있는 금속 나노입자 펨토초레이저 소결공정 (Femtosecond laser selective nanoparticle sintering, FLSNS)을 개발했다. 더불어 유리, 웨이퍼, 고분자 필름 등 다양한 기판위에 1㎛이하의 고정밀도 금속 패턴을 단일 공정으로 제작할 수 있는 기술도 개발해, 이 기술을 이용해 최소 정밀도 380nm 선폭의 극미세 금속패턴 제작에 성공했다.
연구팀은 개발된 금속 패터닝 기술을 KAIST 전기 및 전자공학과 유승협 교수팀과의 협력을 통해 유기 전계효과 트랜지스터 제작공정에 적용해, 차세대 플렉시블 전자소자 제작에 활용될 수 있는 가능성을 제시했다.
고승환 교수는 “고가의 진공 전자빔 공정을 통해서만 제작 가능했던 기존의 디지털 직접 나노패터닝 기술을 비진공, 저온 환경에서 구현함으로써 전자빔 공정을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 향후 다양한 플렉시블 전자소자 제작으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구결과는 한국연구재단의 나노원천기술개발 및 신진연구 사업지원, 지식경제부의 협동사업지원을 받아 수행됐으며, 재료과학기술 분야의 세계적 권위의 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 7월호에 게재됐다.
※ 용어설명금속 나노패터닝 : 고밀도로 집적된 전기/전자회로 구현을 위해서는 1㎛이하의 선폭을 갖는 고정밀도 금속패턴 구현 기술이 필요하다. 이에 따라 기존의 방법이 아닌 새로운 패터닝 공정에 관한 다양한 연구가 수행 중에 있다.
광식각 증착공정 : 미세 패턴 제작으로 널리 사용되어지고 있는 공정으로 빛에 반응하는 재료에 대해 선택적으로 빛을 조사하여 미세 패턴을 제작하고 원하는 물질을 고온, 진공 조건하에서 증착하는 공정으로 기존의 디스플레이, 반도체 제작 공정으로 이용되고 있다.
유기 전계효과 트랜지스터 : 전자기기 구동회로의 핵심소자인 트랜지스터는 전류의 흐름을 선택적으로 조절하는 역할을 한다. 트랜지스터의 구성에는 전류가 흐르는 채널로서 반도체가 필수적인데, 통상적으로는 고온처리가 필요한 실리콘 (Si)이 쓰이고 있다. 유기 전계효과 트랜지스터는 채널 물질로 박막의 유기반도체가 쓰이는 것으로서, 상대적으로 낮은 온도에서 플라스틱과 같은 다양한 기판에 제작 가능하여 유연한 전자 소자 제작에 이상적이며, 궁극적으로 소자 제작이 인쇄 방법으로 구현 될 경우 저비용 전자소자 제작에도 활용 가능할 것으로 예상되고 있다.
펨토초 레이저(femtosecond laser) : 긴 시간 동안 일정한 출력으로 레이저를 방출하는 연속형 레이저와는 달리 짧은 시간 동안만 레이저를 방출하는 것을 펄스형 레이저라고 한다. 이러한 펄스형 레이저의 방출 시간을 천조분의 1초, 즉 10-15초 까지 낮춘 것이 펨토초 레이저이다. 이러한 매우 짧은 펄스폭은 레이저가 조사되는 재료 내부에 열이 확산하는 시간(10-12s, 피코초)보다 짧기 때문에 가공시 열영향부가 작아 정밀 가공에 응용할 수 있다.
그림1. 선택적 금속 나노입자 펨토초 레이저 소결 공정
그림2. 극미세 금속 패턴
2011.08.02 조회수 20125