국내 연구진이 일반적인 ‘페인트 스프레이’를 이용, 기존 광학렌즈보다 3배가량 해상도가 뛰어난 ‘슈퍼렌즈’ 기술을 개발했다.
미래창조과학부는 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 박용근·조용훈 교수 연구팀이 값싼 페인트 스프레이로 기존 광학렌즈의 한계를 극복한 슈퍼렌즈 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
‘빛의 ‘굴절’을 이용한 보통의 광학렌즈는 빛의 파장보다 작은 초점을 만들 수 없는 특성(회절한계)이 있어서 가시광선 영역에서 200∼300나노미터(㎚) 이하의 물체를 관찰할 수 없다.
자외선 영역의 빛을 사용하면 광학렌즈로 해당 크기의 물체를 볼 수 있지만 살아있는 세포에는 적용할 수 없고 비용도 많이 든다.
연구팀은 ‘빛의 산란’을 이용, 회절한계가 없는 신개념 ‘산란 슈퍼렌즈’(scattering super-lens)를 개발했다. 이 렌즈는 100㎚ 크기의 세포 내 구조와 바이러스 등을 가시광선 영역의 빛에서 볼 수 있게 해준다.
빛이 물체에 부딪혀 나오는 산란광의 상당수는 이미지 형성에 필요한 정보를 전달하지 못하고 소멸하고 만다. 특히 작은 초점을 맞추는 데 필요한 빛의 정보인 ‘근접장’은 빛의 파장의 절반 크기보다 작은 나노입자를 만나 산란되면 대부분 소멸한다.
연구팀은 산란 때문에 소멸하는 근접장을 산란으로 제어하는 역발상으로 슈퍼렌즈를 고안했다. 아예 산란이 심한 물질을 활용하면 근접장을 제어할 수 있다고 판단했다.
페인트 스프레이를 유리에 뿌리면 산란 물질이 밀집한 나노입자 층(유리 표면 위의 얇은 페인트 박막)이 생긴다. 이 나노입자 층을 빛이 통과하면 근접장이 산란되는데, 산란된 근접장들은 인접한 다른 나노입자에 부딪혀 또 산란된다.
이렇게 연속적으로 산란된 근접장들은 소멸하지 않고 이미지 정보를 전달해준다.
이제 전달된 근접장을 모아 초점을 만드는 과제가 남는다. 연구팀은 빛의 위상을 제어하는 파면조절기(SLM;Spatial Light Modulator)를 이용해 페인트 층을 통과한 후에 나오는 빛의 분포를 조절, 임의의 지점에 초고해상도 광초점을 형성하는 데 성공했다.
공동 제1저자인 KAIST 박정훈 박사과정 학생과 박충현 박사는 “이 기술은 이미징은 물론 반도체 공정, 광통신, 광치료 등 분야에서도 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다.
미래부와 한국연구재단의 지원으로 수행한 이 연구는 ‘네이처 포토닉스’(Nature Photonics) 온라인판 28일자에 실렸다.