빛은 전기장과 자기장이 서로 얽혀 진동하며 나아가는 파동이다. 파동의 길이가 매우 짧은 극자외선은 눈으로 직접 볼 수는 없지만, 여러 분야에서 유용하게 사용된다. 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 초강력 레이저과학 연구단(단장 남창희, GIST 물리광과학과 교수) 김경택 교수(GIST 물리광과학과) 연구진이 기존 물리 이론으로 설명되지 않은 새로운 극자외선 발생 경로를 규명했다.

극자외선은 파장이 10~120nm(나노미터‧1nm는 10억 분의 1m)에 불과한 빛을 말한다. 짧은 파장을 이용해 반도체 기판에 회로를 조밀하게 그려내는 극자외선 리소그래피¹⁾, 나노미터 해상도로 물질을 관측하는 극자외선 이미징에 활용된다. 또 극자외선을 쪼여 물질의 물성을 파악하는 분광학 연구에도 유용하게 사용된다.

극자외선을 다양한 분야에 활용하려면 결맞음성(Coherence)²⁾이 갖춰져야 한다. 결맞음성은 빛 파장의 위상과 주파수가 같아 서로 간섭할 수 있다는 의미로 가(可)간섭성으로도 불린다. 별개의 파장이 서로 보강하는 간섭을 일으킬 수 있기 때문에 강력한 빛을 생성하기 위한 기본 성질이다.

지금까지 '다중광자흡수(Multiphoton excitation)'현상이 결맞은 극자외선을 생성할 수 있는 유일한 경로로 알려져 있었다. 다중광자흡수는 별도의 광원을 이용해 원자에 빛을 가하면, 원자가 여러 개의 빛 입자(광자)를 동시에 흡수해 들뜬상태(excited state)가 된 후, 낮은 에너지 상태인 바닥상태(ground state)로 이동하면서 결맞은 극자외선을 내놓는 현상이다.

김경택 교수팀은 광원에서 강력한 빛을 가하게 되면, 다중광자흡수 현상과 다른 새로운 경로로 극자외선이 발생한다는 사실을 발견했다. 1000조 분의 1초라는 찰나의 순간에 빛을 가하는 펨토초 레이저³⁾를 이용해 발생시킨 극자외선은 기존과 달리 레이저의 위상 변화에 따라 세기와 발생방향이 달라지는 특성을 보였다.

추가 실험을 통해 연구진은 '좌절된 터널링 이온화(Frustrated Tunneling Ionization, FTI)' 현상으로 인해 이러한 극자외선이 발생한다는 점을 증명했다. 펨토초 레이저를 가하면 전자와 원자는 완전히 분리된다. 이후 전자는 자유롭게 가속하며 진동하다가 레이저 빔이 사라지고 난 뒤 원자와 다시 들뜬상태로 결합한다. 이후 원자가 바닥상태로 떨어지는 과정에서 그 에너지 차이만큼 결맞은 극자외선을 내놓는다는 것이다.

강력한 에너지를 가진 펨토초 레이저는 전자 하나 하나의 움직임을 조절할 수 있다. 연구진은 원자에서 완전히 분리된 전자들이 펨토초 레이저의 위상 변화에 따라 서로 보강하거나 상쇄하는 간섭 현상을 일으켰고, 이 때문에 FTI 극자외선의 세기와 발생 방향이 달라지는 것이라고 설명했다. 이는 전자가 분리되지 않는 다중광자흡수 현상으로는 설명하기 어려운 현상이다.

이번 연구성과는 결맞은 극자외선의 정확한 생성 원리를 규명했다는 학술적 의미가 있다. 기존 다중광자흡수 현상은 극자외선 발생 과정에서 광원의 세기가 고려되지 않은 만큼, 이번 연구가 광(光)물리학 연구의 근본적인 이해를 넓힌 셈이다. 또 세기와 방향을 조절할 수 있는 FTI 극자외선의 특징을 이용하면 산업계에서 요구하는 더 강력한 극자외선 광원 개발도 가능하다. 이를 통해 현재 최고 선폭인 7nm보다 더 가는 회로를 한 번의 노광으로 그려낼 수 있다. 초미세 공정을 통해 초고정밀‧초고성능 반도체 시대를 견인할 수 있다는 의미다.

김경택 교수는 "IBS 연구진이 개발해온 펨토초 레이저는 세계적으로도 극소수의 연구실만이 가지고 있는 최첨단 기술"이라며 "새로운 광원의 발견은 종종 새로운 학문분야의 탄생으로 이어지는 만큼 이번에 규명한 극자외선이 무궁무진한 관련 연구로 확장될 수 있으리라 기대한다"고 말했다.

연구성과는 광학 분야 세계적 권위지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics, IF 32.521) 9월 25일자(한국시간) 온라인 판에 실렸다.

그림설명

▲ [그림 1] 펨토초 레이저 압축 장치이번 연구에 사용된 펨토초 레이저 압축 장치의 모습. 연구진은 압축 장치 속 여러 개 특수 거울을 이용해 레이저 펄스의 모양을 조절, 수 펨토초의 펄스로 만들었다.

▲ [그림 2] 좌절된 터널링 이온화(FTI) 현상을 통한 극자외선 생성 과정원자에 강력한 레이저장이 가해지면 전자가 분리돼 나온다(1). 이후 원자와 전자가 재결합 하면서(2) 원자는 들뜬상태가 된다. 들뜬상태의 원자로부터 극자외선이 생성되며 원자는 바닥상태로 내려온다(3). 펨토초 레이저를 이용한 극자외선 생성 과정을 양자역학적으로 계산해본 결과(아래 그림), 연구진은 강력한 레이저가 가해지는 동안에는 원자가 들뜬상태로 머무른다는 점을 확인했다.

▲ [그림 3] 좌절된 터널링 이온화(FTI)로 인한 극자외선 생성 메커니즘과 스펙트럼강력한 레이저(빨간색 실선)가 가해지면 전자는 원자로부터 분리돼 자유로운 상태가 된다. 기존에 극자외선 발생 방법 중 하나인 고차조화파는 전자가 분리된 직후 원자핵에 다시 재결합하면서 발생한다(보라색 점선). 아래 스펙트럼에서 같은 간격으로 반복되는 신호가 고차조화파에 해당한다.
반면, 연구진이 발견한 FTI 현상에서 전자는 레이저가 사라지기 전까지 원자 주변에서 가속된다. 이후 레이저 장이 사라지면 원자의 들뜬 상태로 재결합한다(파란색 점선). 들뜬 상태의 원자는 '자율 유도 감쇠'라는 과정을 통해 결맞는 극자외선을 방출한다.
아래 스펙트럼에는 FTI 극자외선이 상당히 큰 발산각과 좁은 스펙트럼 폭을 가진 것으로 관측된다. 기존에는 이런 특성을 내는 극자외선이 '다중광자흡수' 현상에 의해서만 발생한다고 알려져 있었지만, 연구진은 FTI에 의해서도 결맞는 극자외선이 발생할 수 있음을 규명했다.

▲ [그림 4] FTI 극자외선의 특징FTI 극자외선은 기존에 보고됐던 다중광자흡수 극자외선과 두 가지 측면에서 차이가 있다. 첫째는 레이저의 타원율에 대한 의존성이다. FTI 극자외선이 타원율 의존성을 갖고 있다는 것은 이온화된 전자의 재결합에 의해 극자외선이 발생한다는 것을 나타낸다. 둘째는 레이저의 절대 위상에 대한 의존성이다. 절대 위상 의존성은 주어진 레이저로 인해 이온화되는 전자들의 상호 간섭에 의해 생긴다. 절대 위상 변화는 전자들의 위상 변화를 유도하고, 이때 전자의 보강 또는 상쇄 간섭으로 인해 FTI 극자외선의 세기 변화가 생긴다.

▲ [그림 5] FTI 극자외선 방출 방향 조절 실험FTI 극자외선의 결맞음성(coherence)을 이용하면 FTI 극자외선의 세기와 방향을 제어할 수 있다. 이번 연구에서는 '아토초 등대 효과'를 이용해 FTI 극자외선의 진행방향을 제어할 수 있음을 보였다. 아토초 등대 효과란 구동 레이저에 유리를 삽입해 하나의 펄스 안에서 생성되는 펄스가 서로 다른 방향으로 진행하게 만드는 기술이다. 이 기술을 FTI 극자외선 생성에 이용하면, 왼쪽 그림과 같이 레이저의 진행 방향으로부터 크게 편향된 FTI 극자외선을 얻을 수 있다. 이처럼 연구진은 오른쪽 그림과 같이 발생되는 FTI 극자외선의 진행 방향을 제어함으로서 FTI 극자외선의 발생 메커니즘이 기존 물리학 이론으로 설명할 수 없는 새로운 현상임을 증명했다.