POSTECH(포항공과대학교) 화학과 김광수 교수팀이 세계 최초로 머리카락 굵기보다 수백배 작은 나노미터(nm)급의 렌즈의 합성에 성공하였다.

연구팀은 이 렌즈의 특성을 연구한 결과, 렌즈의 크기가 빛의 파장만큼 작아질 때, 기존의 기하광학에서는 불가능한 이론적 극한치(회절 한계)인 빛의 반파장보다 더 작은 크기를 식별할 수 있는 초해상도를 보여주는 새로운 물리 현상을 밝혀냈다.

김광수 교수의 주도하에, 박사과정 이주영씨와 홍병희*박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 운영하는 ‘글로벌연구실(Global Research Lab)’사업의 지원하에 수행되었으며, 연구 결과는 세계최고 권위의 과학저널인 네이처(Nature)지에 7월 23일 게재됐다.

* 이주영(30, 李周映) : 포항공과대학교 화학과 박사과정
  홍병희(38, 洪秉熙) : 포항공과대학교 박사, 현 성균관대 화학과 조교수

김교수팀은 유기물질인 칼릭스하이드로퀴논(CHQ) 분자는 자기  조립을 통해 나노미터 크기의 단면 볼록렌즈를 형성된다는 것을 발견하고, 렌즈 크기가 빛의 파장과 비슷하게 되면, 빛은 회절과 간섭 현상을 통해서, 상식과는 달리, 빛의 경로가 곡선 궤적을 그려, 나노렌즈가 매우 짧은 초점거리를 가지게 되는 초굴절현상을 처음 밝혔다.

나노렌즈의 이러한 특징은 기존 광학 현미경에서는 구분할 수 없는 미세 패턴이 뚜렷이 확대된 이미지로 얻어져, 기존의 광학적 한계를 넘는 해상도를 보여 주었으며, 정확한 전자파 시뮬레이션을 통해 실험에서 얻은 나노렌즈의 특이한 광학 현상을 입증하고, 이에 대한 새로운 물리적 현상*을 이론적으로 규명하였다.

* 빛의 파장 길이의 반보다 작은 두 물체 간의 거리는 일반 광학렌즈로는 분간할 수 없으며, 이 같은 극한치를 광학적 ‘회절 한계’로 부른다. 그러나 이번 연구 결과에서는, 나노렌즈가 이 회절 한계를 넘어 빛의 파장(400-700 nm)의 절반보다 더 작은 간격을 식별할 수 있음을 밝혀냈다. 이러한 회절한계를 넘는 것은, 기존에 제안된 다른 방법들과는 전혀 다르게, 렌즈가 나노 크기로 작아짐에 따른 예상외의 초굴절 나노 광학현상으로, 새로운 이론에 기초한 새로운 한 영역을 개척한 성과로 평가받고 있다.

나노렌즈의 광학적 특성은 일반 광학 현미경으로 관측하지 못하던 나노 및 미세 바이오 물질의 구조 이미지 해석, 미세 구조 분석을 위한 분석신호의 강화, 나노소자 개발에 필요한 광학적 패턴 또는 기술 향상, 빛의 집적 등, 다양한 활용이 가능하며, 차세대 나노광학 메모리 및 감지 소자 개발에도 응용될 것으로 전망된다.

POSTECH 김광수 교수팀의 주도로 이루어진 이번 연구는 보다 정확한 검증을 위해 글로벌연구실(GRL) 사업의 공동연구자인 필립 김 (Philip Kim, 미국 컬럼비아대학교) 교수, 컬럼비아 대학의  Wong 교수 및 Kaufman 교수 등도 참여 하였으며, 포항나노기술집적센터(센터장 정윤하 교수)의 연구 시설을 이용하였는데, 이는 화학ㆍ물리ㆍ기계ㆍ전자공학 분야의 학제간 융합을 통해 이루어진 연구로 국내외 우수 연구자들 간 학제간 융합연구의 모범적인 모델로 자리매김할 것으로 기대된다.