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  • 나노렌즈
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  • 나노렌즈는 나노미터 촌법의 렌즈이다. '회절'은 빛, 소리와 같은 파동에서만 일어나는 것으로 파동이 장애물에 부딪쳐 퍼지거나 장애물의 작은 틈을 통과하면서 장애물 주변 및 뒤쪽까지 돌아가는 현상을 말한다. 400∼700나노미터(㎚=10억분의 1ｍ)인 빛의 파장 길이의 반보다 작은 두 물체 간 거리는 일반 광학 렌즈로 분간할 수 없고 이 극한치는 광학적 '회절(回折)한계'라 부른다. 1873년 독일의 물리학자 에른스트 아베가 이 이론을 처음 정립한 뒤 지금까지 단 한 번도 깨지지 않았다. 하지만 김 교수팀은 이번 논문에서 이런 정설을 뒤엎고 220∼250nm 간격의 줄을 구분하는 렌즈를 만들 수 있다는 사실을 처음으로 밝혔다. 나놀렌즈는 렌즈의 크기가 빛의 파장만큼 작아질 때 그 동안 불가능했던 고해상도를 보여주는 새로운 물리현상을 보여준다. 김 교수는 "정확한 전자파 시뮬레이션을 통해 실험에서 얻은 나노렌즈의 특이한 광학 현상을 입증하고 이에 대한 새로운 물리적 현상을 이론적으로 규명했다"고 말했다.
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  • 나노렌즈는 나노미터 촌법의 렌즈이다. '회절'은 빛, 소리와 같은 파동에서만 일어나는 것으로 파동이 장애물에 부딪쳐 퍼지거나 장애물의 작은 틈을 통과하면서 장애물 주변 및 뒤쪽까지 돌아가는 현상을 말한다. 400∼700나노미터(㎚=10억분의 1ｍ)인 빛의 파장 길이의 반보다 작은 두 물체 간 거리는 일반 광학 렌즈로 분간할 수 없고 이 극한치는 광학적 '회절(回折)한계'라 부른다. 1873년 독일의 물리학자 에른스트 아베가 이 이론을 처음 정립한 뒤 지금까지 단 한 번도 깨지지 않았다. 하지만 김 교수팀은 이번 논문에서 이런 정설을 뒤엎고 220∼250nm 간격의 줄을 구분하는 렌즈를 만들 수 있다는 사실을 처음으로 밝혔다. 나놀렌즈는 렌즈의 크기가 빛의 파장만큼 작아질 때 그 동안 불가능했던 고해상도를 보여주는 새로운 물리현상을 보여준다. 유리를 깎아 이렇게 정밀한 나노렌즈를 만드는 일은 불가능하다.렌즈는 빛을 통과시키면서(투명하면서) 공기와 굴절률이다른 광학부품인데, 표면이 매끈하고 조성이 균일해야 하기 때문이다. 머리카락 굵기보다 수백 배 작은 나노미터(nmㆍ1㎚=10억분의1m) 크기의 렌즈를 만든 연구팀이 기존 광학의 한계를 뛰어넘는 새로운 물리현상을 처음으로 발견해냈다. 주인공은 포스텍 화학과 김광수(61) 교수와 박사과정 이주영(30)씨, 성균관대 화학과 홍병희(38) 교수로, 연구결과는 '네이처'2009년 7월 23일자에 게재된다. 김 교수팀은 크기 50∼500 나노미터 짜리 나노렌즈를 유기물질인 칼릭스하이드로퀴논(CHQ) 분자를 사용해 제작했다. 김 교수팀은 유기물질인 칼릭스하이드로퀴논(CHQ) 분자가 자기조립을 통해 나노 크기의 볼록 렌즈를 형성하는 것을 알아냈다. 칼릭스하이드로퀴논은 스스로 달라붙어 특정한 구조와 형태를 만드는, 이른바 '자기조립(self-assembly)'의 성질이 있다. 연구팀은 자기조립을 활용해 매우 작은 나노렌즈를 만들었다. 렌즈의 크기 자체가 빛의 파장과 비슷한 수준이 된 셈이다. 이렇게 작은 렌즈를 통과하는 빛은 회절과 간섭을 통해 곡선으로 돌게 되고 결과적으로 렌즈의 초점거리가 짧아져 해상도가 높아진다는 새로운 사실이 이번에 밝혀진 것이다. 연구진은 렌즈 크기가 빛의 파장과 비슷해질 경우 상식과는 달리 빛의 경로가 곡선 궤적을 그려 렌즈는 매우 짧은 초점거리를 갖게 된다는 점을 밝혀냈다. 연구팀은 "이 현상은 렌즈가 나노 크기로 작아짐에 따라 나타난 예상외의 나노 광학 현상으로, 새로운 이론에 기초한 새로운 영역을 개척한 것"이라고 의미를 부여했다. 특히 나노렌즈 합성으로 회절 한계를 넘은 이번 연구는 렌즈가 나노 크기로 작아짐에 따른 나노 광학 현상을 밝힌 것으로서 새로운 이론에 기초한 새 영역을 개척한 성과로 평가받고 있다. 김 교수는 "정확한 전자파 시뮬레이션을 통해 실험에서 얻은 나노렌즈의 특이한 광학 현상을 입증하고 이에 대한 새로운 물리적 현상을 이론적으로 규명했다"고 말했다. 네이처에 따르면 회절한계를 뛰어넘는 ‘슈퍼렌즈’ 분야의 석학인 미국 버클리 캘리포니아대 시앙 장 교수는 “이해할 수 없다”는 반응을 보였다. 김 교수팀이 회절한계를 뛰어넘은 렌즈를 만든 것은 우연이라는 것이다. 이에 대해 나노 광학 전문가인 서울대 물리천문학부 김대식 교수는 “나노 렌즈를 쉽고 간편하게 만들었을 뿐 아니라 필요한 곳에 가져다 쓸 수 있는 것도 획기적”이라며 김광수 교수의 연구 내용을 높이 평가했다. ‘네이처’ 역시 “나노 렌즈 품질 자체에 대한 이견은 전혀 없다”고 밝혔다. 김광수 교수는 “나노 렌즈의 현상을 설명할 새로운 이론이 없어 오랫동안 지켜진 물리법칙이 깨지는 것에 대한 거부감이 있는 것 같다”면서 “현재 새로운 이론을 연구하고 있다”고 밝혔다. 이 연구엔 김 교수 주도하에 박사과정 이주영씨와 홍병희 성균관대 교수가 참여했다. 교육과학기술부와 한국연구재단이 운영하는 '글로벌연구실' 사업 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 세계최고 권위의 과학저널 '네이처'지에 23일 게재된다.
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