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최첨단 레이저로 극자외선 발생 새 경로 규명

기초과학연구원 "광물리학 이론 확장…고정밀 반도체 개발 응용"
펨토초 레이저 압축 장치. IBS 연구진은 압축 장치 속 여러 개 특수 거울을 이용해 레이저 펄스 모양을 조절, 수 펨토초의 펄스로 만들었다. [IBS 제공=연합뉴스]
펨토초 레이저 압축 장치. IBS 연구진은 압축 장치 속 여러 개 특수 거울을 이용해 레이저 펄스 모양을 조절, 수 펨토초의 펄스로 만들었다. [IBS 제공=연합뉴스]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 초강력 레이저 과학 연구단 김경택 교수(광주과학기술원 물리광과학과) 연구진이 새로운 극자외선 발생 경로를 규명했다고 27일 밝혔다.

극자외선은 파장이 10∼120㎚(나노미터·1㎚=10억 분의 1m)에 해당하는 빛이다.

짧은 파장을 이용해 반도체 기판에 회로를 조밀하게 그려내는 리소그래피나 나노미터 해상도로 물질을 관측하는 이미징 분야에 활용한다.

극자외선을 다양한 분야에 활용하려면 결맞음성(Coherence)이 갖춰져야 한다.

결맞음성은 빛 파장 위상과 주파수가 같아 서로 간섭할 수 있다는 의미다. 가(可)간섭성으로도 불린다.

지금까지는 다중광자흡수 현상이 결 맞는 극자외선을 생성할 수 있는 유일한 경로로 알려졌다.

별도의 광원을 이용해 원자에 빛을 가하면, 원자가 여러 개의 빛 입자(광자)를 동시에 흡수해서 '들뜬상태'가 된다.

이어 낮은 에너지 상태인 바닥 상태로 이동하면서 결 맞는 극자외선을 내놓는 현상이다.

결 맞는 극자외선 발생 원리 [IBS 제공=연합뉴스]
결 맞는 극자외선 발생 원리 [IBS 제공=연합뉴스]

연구진은 광원에서 강력한 빛을 가하게 되면, 다중광자흡수 현상과 다른 새로운 경로로 극자외선이 발생한다는 사실을 발견했다.

1천조분의 1초에 빛을 가하는 펨토초 레이저를 이용해 발생한 극자외선은 기존과 달리 레이저 위상 변화에 따라 세기와 발생 방향이 달라지는 특성을 보였다.

아울러 연구진은 '좌절된 터널링 이온화'(Frustrated Tunneling Ionization·FTI) 현상 때문에 이런 극자외선이 발생한다는 점을 규명했다.

펨토초 레이저를 가하면 전자와 원자는 완전히 분리된다.

이후 전자는 자유롭게 가속하며 진동하다가 레이저 빔이 사라지고 난 뒤 원자와 다시 들뜬상태로 결합한다.

원자가 바닥 상태로 떨어지는 과정에서 그 에너지 차이만큼 결 맞는 극자외선을 내놓는다는 뜻이다.

좌절된 터널링 이온화(FTI)로 인한 극자외선 생성 메커니즘과 스펙트럼 [IBS 제공=연합뉴스]
좌절된 터널링 이온화(FTI)로 인한 극자외선 생성 메커니즘과 스펙트럼 [IBS 제공=연합뉴스]

기존 다중광자흡수 현상은 극자외선 발생 과정에서 광원 세기가 고려되지 않은 만큼, 이번 연구가 광 물리학 연구의 근본적인 이해를 넓힌 셈이라고 연구진은 설명했다.

세기와 방향을 조절할 수 있는 FTI 극자외선 특징을 이용하면 초고정밀·초고성능 반도체 개발도 가능할 것으로 전망된다.

김경택 교수는 "새로운 광원의 발견은 종종 새로운 학문 분야의 탄생으로 이어진다"며 "이번에 규명한 극자외선을 통해 관련 연구가 확장할 수 있게 되리라 기대한다"고 말했다.

왼쪽부터 기초과학연구원 초강력 레이저 과학 연구단 김경택 교수(광주과학기술원 물리광과학과), 윤혁·문제회 연구위원 [IBS 제공=연합뉴스]
왼쪽부터 기초과학연구원 초강력 레이저 과학 연구단 김경택 교수(광주과학기술원 물리광과학과), 윤혁·문제회 연구위원 [IBS 제공=연합뉴스]

성과를 담은 논문은 25일(한국시각) 광학 분야 권위지 '네이처 포토닉스'(Nature Photonics) 온라인판에 실렸다.

walden@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지> 2018/09/27 12:00 송고

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