나노기술 개발동향
펨토기술과 나노기술
김 경 호 † ⋅배 국 진⋅서 주 환⋅이 종 민*
한국과학기술정보연구원, *광주과학기술원 고등광기술연구소
Femto Technology and Nano Technology
Kyung-Ho Kim † , Kuk-Jin Bae, Ju Hwan Seo, and Jongmin Lee*
Korea Institute of Science and Technology Information (KISTI)
*Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)
Abstract: 펨토기술은 극초단, 초고속, 초정밀, 초광대역, 초강력의 특성을 갖으며, 1조분의 1초 안에 일어나는 일들을 세밀히 밝혀낼 수 있어 극초단 현상의 규명이 가능하며, 나노기술에 펨토기술을 접목함으로써 화학반응의 제어 및 나노 구조체의 제조에 있어 보다 정밀하고, 손쉬운 제어와 가공을 행할 수 있다. 본고에서는 펨토기술과 나노기술과 관련한 국내외 연구개발 동향에 대해 살펴보고, 논문ㆍ특허정보 동향에 대한 분석을 행하였으며, 향후 기술발전에 대해 조망하 였다.
Keywords: femto technology, nano technology, technology trend, information analysis, patent
1. 서 론
1)
미래 학자들이 21세기에는 기존의 전자기술 의 한계를 극복하는 광기술의 시대가 올 것으 로 예측하였으며, 이러한 광기술의 총아인 펨 토기술(femto technology)과 새로운 산업혁명 을 몰고 올 나노기술(nano technology)의 균형 발전을 통해 “극초단 극미세계 제어기술”을 확 립함으로써 21세기 과학기술의 New Frontier를 열 수 있을 것으로 기대하고 있다.
“공간의 극한"을 다루는 나노기술은 요즘 들어 국가 전략적 핵심기술로서 인식되기 시 작했다. 하지만 “시간의 극한"을 다루는 펨토 기술은 세계적인 창의적 프론티어 그룹을 통 해서 최근에야 비로소 개념이 정립되기 시작 하였기 때문에, 펨토기술이란 용어자체가 생소 할 것이다. 하지만 세계 G7 선진국들은 펨토 기술을 이미 나노기술과 같은 국가 전략적 핵
†주저자(E-mail: [email protected])
심기술로 인식하고 있고, 나노기술에 못지않게 펨토기술에 막대한 연구투자를 하고 있어서, 급격한 속도로 발전하고 있는 추세이다.
따라서 국가 과학기술 정책자들과 연구자들 에게 시급히 펨토기술이 무엇이며, 국가 전략 적 핵심기술인 나노기술과 어떤 연관이 있는 지에 대해 알려야 할 필요성이 대두된다. 이를 위한 노력으로 국내에서도 물리, 화학, 의학, 기계 등 서로 다른 분야에서 펨토기술을 연구 하는[1] 연구자들이 정기적 모임을 갖기도 하 고 국제학술회의, 국내 워크샵 등을 공동개최 하고 있다[2,3]. 이렇게 다양한 분야의 연구자 들이 펨토기술에 관심을 갖는 이유는 펨토기 술이 하나의 특정한 응용목적에 맞는 하나의 고유한 특성만을 갖는 것이 아니라, 여러 응용 분야에서의 새로운 돌파구로 활용될 수 있는 독특한 특성들을 동시에 갖고 있기 때문이다.
펨토기술이 갖는 특성들은 크게 극초단
(ultrashort), 초고속(ultrafast), 초정밀(ultra-
precise), 초광대역(ultra-broad), 초강력(ultra-
Figure 1. 펨토기술과 나노기술의 역할.
intense) 등 다섯 가지로 나눌 수 있으며, 이 들 각각의 고유 특성들의 의미와 함께 응용분 야들을 다음과 같이 설명하고자 한다.
◦ 펨토기술은 극초단(Ultrashort)기술이다 펨토기술은 펨토초 영역의 극히 짧은 펄스 를 이용하여, 펨토초 영역에서 발생하는 자연 현상을 이해하고, 이를 기반으로 분석, 제어 및 가공하는 기술을 통틀어 말한다. 여기서 펨 토초(femtosecond)는 1000조분의 1초, 즉 10 -15 초에 해당한다.
◦ 펨토기술은 초고속(Ultrafast) 기술이다
펨토기술을 이용하여 극히 짧은 시간 내에 발생하는 현상을 분석하고, 제어하고, 가공할 수가 있다. 순간적으로 일어나는 화학반응에서 분자들이 어떻게 움직이는 지를 관찰함으로써 DNA나 단백질에서 전자나 분자가 어떠한 움 직임을 보이는지를 연구할 수도 있다. 이러한 연구를 활용하면 의학, 바이오 등 첨단 분야의 제품 개발을 앞당길 수 있게 된다.
◦ 펨토기술은 초정밀(Ultra-precise) 기술이다 시간영역에서의 초정밀성을 예로 들면, 레이 저의 주파수를 1초당 1펨토초의 정밀도로 한 시간정도 유지한다면 우주나이(약 150억년)에 단 1초의 오차만 허용하는 정밀도를 갖게 되 는 것과 같다. 이는 기존의 어떠한 기술로도 얻을 수 없는 초정밀 시계를 제작할 수 있음 을 의미하며, 최근 이런 개념의 시계를 미국과 유럽에서 펨토초 레이저를 이용하여 구현해 나가고 있다[4,5].
Figure 2. 펨토기술을 통해 나노급 정밀도로 미세 가공한 황소[6].
◦ 펨토기술은 초광대역(Ultra-broad) 기술이다 펨토기술은 광통신에 사용되는 레이저의 대 역폭을 아주 넓은 주파수 성분을 가지게 함으 로써 데이터의 전송 속도를 획기적으로 높일 수 있다. 미국과 일본은 이미 펨토기술을 활용 해 현재의 정보처리 속도보다 1백배 이상 빠 른 1백 테라비트급 정보 네트워크를 개발 중 이다. 또한 펨토기술은 적외선, 가시광선, 자외 선, 극자외선 영역의 매우 넓은 영역의 백색광 (white light)을 만들 수 있다[7].
◦ 펨토기술은 초강력(Ultra-intense) 기술이다
에너지를 펄스의 형태로 물질에 충격을 가
한다고 가정하자. 이때 1초 동안 충격을 가할
때와 똑같은 에너지로 1펨토초란 극히 짧은
시간동안 충격을 가할 때의 세기를 비교하면
100만의 100만의 1000배(1000조배)이다. 예를
들어 국내 고등광기술연구소에서 구축중인 펨
토초 초강력 광양자빔의 최종 순간 출력세기
는 1000 TW (1 petawatt)급이다. 이는 우리
나라 발전용량의 20000배에 달하는 세기이며
전 세계 순간 발전용량의 100배와 맞먹는 출
력이다. 이와 같은 초고출력 레이저에 의한 초
강력 펨토기술을 이용하면 우주 폭발이나 핵
융합 등과 같은 극한 기술을 적은 비용
Figure 3. 공간분해능과 나노기술.
으로 연구할 수도 있다.
극초단(ultrashort), 초고속(ultrafast), 초정 밀(ultra-precise), 초광대역(ultra-broad), 초강 력(ultra-intense) 등 크게 다섯 가지의 특성을 갖는 펨토기술은, 이들 특성에서 각각의 극한 영역에 해당되기 때문에 이러한 극한 영역의 펨토기술과 다른 기술을 융합하면 새로운 돌 파구를 만들 수 있다. 또한, 펨토기술은 세련 됨(smart), 깨끗함(clean), 간결함(compact)이 라는 세 가지의 상징적 특징을 갖고 있어서 다른 기술 영역과 융합하기에 유리한 장점이 있다.
2. 펨토기술과 나노기술의 융합
과학기술에서 가장 기본적인 물리단위는 시 간과 공간이다. 이 시간과 공간 속에 에너지와 물질의 역학관계를 어떻게 잘 이해하고 이용 하느냐가 중요하다. 과학기술의 발전 과정에서 시간과 공간의 분해능의 중대한 발전은 과학 기술의 전 분야에 걸쳐 새로운 장을 개척하는 breakthrough 역할을 하였다.
위의 Figure 3과 Figure 4는 각각 공간과 시간의 분해능에 따라서 관찰할 수 있는 자연 계의 공간적인 구조와 시간적인 현상의 범위 를 간략하게 표현한 그림이다. 현재 공간적인 극한기술인 나노기술과 시간적인 극한기술인 펨토기술은 서로 다른 물리적 환경에서 급격 한 발전을 하고 있는데, 최근 연구동향을 보면
Figure 4. 시간분해능과 펨토기술.
이들 기술 간에 구분이 모호한 영역이 나오고 있다.
또 다른 관점에서 보면 19세기는 철에 의한 기계기술의 시대였고, 20세기는 전자(electron) 에 의한 전자기술의 시대였다. 단적인 예가 1 차 세계대전에서는 기계기술을 가진 나라가, 2 차 세계대전에서는 기계기술을 바탕으로 전자 기술을 선도한 나라가 결국 승리하였다는 것 을 상기하면 알 수 있다. 앞으로 21세기는 기 계기술과 전자기술을 바탕으로 광양자(photon) 에 의한 광기술(photonics technology)의 시대 가 올 것이 분명하다. 이런 역사적 흐름의 인 식에 따라 세계 각국이 고출력 펨토초 레이저 연구시설과 연구소 육성에 경쟁적으로 나서고 있고, 빛을 이해하고 활용하는데 국가의 명운 을 걸고 있는 상황이다. 빛에 대한 모든 지식 이 축적되어 집약된 분야인 “펨토기술”과 새 로운 혁명을 일으키고 있는 “나노기술”과의 융합은 21세기 과학기술의 New Frontier가 될 것이 확실하다.
3. 연구개발동향
3.1. 펨토초 레이저를 이용한 나노구조 분석 3.1.1. 개요
극초단 레이저를 이용한 광학적인 측정방법
을 이용하면, 초고속 소자들의 기본소재인 고
체 산화물 및 반도체 내지는 폴리머 등의 유
기화합물, 또는 탄소 나노구조 물질들의 초미 시구조의 특성을 비롯하여, 극초단 시간에 발 생하는 물리적․화학적인 특성의 변화들을 관 측하고 규명할 수 있다. 또한 기존의 방법으로 는 존재의 가능성만이 이론적으로 연구되어 왔던 여러 초고속 현상들을 직접 실험적으로 측정하여 확인할 수 있으며, 더 나아가 새로운 현상들을 발견할 수 있는 토대가 된다.
한편 빛으로 물질의 기본특성을 변화시키고 조절할 수 있는 비선형광학은, 외부의 자극에 의한 각 물질의 광학적 특성변화를 관측할 수 있다. 따라서 물질의 기본구조와 물성변화를 더 자세히 이해하고 탐구하는데 있어서 그 효 용성이 기존의 선형광학에 비하여 크다고 할 수 있다. 대부분의 비선형광학 현상들은 높은 출력의 광원을 필요로 하는데, 극초단 광원을 이용할 경우 높은 순간출력을 이용하여 시료 의 손상을 최소화하면서도 비선형광학 신호의 세기를 향상시킬 수 있으며, 아울러 높은 시분 해능을 이용한 들뜬상태의 동역학 현상의 관 측이 가능하다. 또한 다광자(multi-photon)를 이용하면, 시료에 조사되는 빛의 손실을 최소 화하면서도 충분한 분광성능을 얻어낼 수 있다.
초고속 시분해 분광학은 보다 짧은 펄스폭 을 갖는 극초단 레이저의 개발로 인해 탁월한 시분해능을 확보할 수 있었으나, 공간분해적인 측면에서는 매우 거시적이라고 볼 수 있는 수 mm대 안팎의 분해능을 가지고 있는 게 보편 적이다. 이러한 낮은 공간분해능으로 인해, 현 재 광범위하게 연구되고 있는 단일 나노구조 체에 대한 연구에 초고속 시분해 분광학을 적 용하는 데에 일정 부분 제약이 있게 된다. 즉, 단일 구조체에 대한 연구가 불가능하고, 단지 여러 개의 나노구조체 ensemble의 광특성 분 석으로부터 단일 구조체의 광특성을 간접적으 로 유추하는 것만이 가능하다는 것이다. 따라 서 이러한 시분해 분광학의 공간분해능의 한 계를 뛰어넘기 위한 다양한 시도들이 이루어 져 왔으며, 현재 수십 나노미터의 공간 분해능 을 가지는 근접장 나노광학 현미경(near-field
Figure 5. 펨토기술과 나노기술의 접목시 기대되 는 효과 - 극미세 세계의 초고속 현상 등을 관찰할 수 있다.
scanning optical microscopy)을 이용한 근접 장 과학(near-field science)과의 접목이 매우 유망한 기술로 각광받고 있다.
3.1.2. 국내외 연구동향
미국에서는 국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Lab.)에서 GaInP 양자점 을 근접장 나노광학 현미경과 펨토레이저를 이용하여 연구하고 있고, 오스틴 소재 텍사스 주립대학교에서는 저온 근접장 나노광학 현미 경과 펨토레이저를 이용해 반도체 양자우물구 조의 속박된 엑시톤의 동역학을 연구하고 있 다. 또한 앤 아버 소재 미시간 주립대학교에서 는 InGaAs 양자점의 초고속 운반자 동역학을 근접장 나노광학 현미경과 펨토레이저를 이용 하여 연구하고 있고, 버클리 소재 캘리포니아 주립대학교에서는 근접장 나노광학 현미경과 펨토레이저를 이용하여 나노구조체의 비선형 현상을 연구하고 나노구조체의 표면과 계면을 연구하고 있다.
유럽에서는 독일의 뮌헨대학에서 펨토레이
저를 이용한 pump-probe 실험을 근접장 나노
광학 현미경으로 수행하여 반도체의 전자-정
공쌍의 동역학 현상을 연구하고 있다. 또한 이
탈리아의 피렌체 대학에서 GaN/AlN 양자점
과 InGaN/GaN 양자우물의 발광현상을 시분 해 근접장 나노광학 현미경을 이용하여 분석 하였으며, 독일의 Max-Born Institute에서는 자발형성된 양자점들 중에 하나의 양자점에 대한 시분해 분석에 성공하였다.
일본 동경대에서는 양자점의 동역학 연구를 저온 근접장 나노광학 현미경과 자기장이 인 가된 근접장 나노광학 현미경을 이용하여 수 행하고 있으며 펨토레이저를 이용한 나노구조 체 특성분석 연구가 활발히 이루어지고 있다.
국외에서 이런 많은 연구들이 수행되어지는 이유는, 먼저 전문분야가 서로 다른 연구그룹 들끼리의 자유로운 연구교류 때문이다. 나노구 조체를 연구하는 그룹과 펨토레이저를 연구하 는 그룹사이의 정보교류가 연구성과를 극대화 시키고 있다. 둘째로 연구투자에 대한 정부 정 책과 관련이 있다. 세계적으로 어떤 한 분야가 각광을 받으면 그 분야에 대한 집중이 이루어 지는 국내와는 달리 각 분야에 대한 연구성과 에 비례하여 연구비 투자가 이루어진다. 따라 서 고르게 성장된 연구 그룹들 사이에 경쟁이 아닌 정보교류가 이루어져 상승효과가 일어나 는 것이다.
활발한 국외 연구동향과는 달리 국내에서는 펨토초 레이저를 이용한 나노구조체 연구에 대한 성과가 미진한 편이다. 펨토초 레이저 및 이를 이용한 응용 연구를 하는 그룹은 고등광 기술연구소, 서울대학교, 표준과학연구원, 한국 과학기술원 등이 있다. 서울대학교에서는 근접 장 나노광학 현미경을 갖추고 있어 InAs/
GaAs 양자점의 시분해 분광 연구를 수행하고 있다. 최근, GIST 고등광기술연구소에서는 10 K 근처의 저온에서 동작하고 UV-VIS-NIR 영역에서 광특성을 분석할 수 있는 근접장 나 노광학 현미경을 제작하고 있다. 특히 이 장비 를 펨토초 레이저와 함께 운용하여 UV 영역 분석이 필요한 GaN 양자점에 관한 연구와 광 통신 영역에서 중요한 InAs 양자점에 관한 연 구를 할 계획에 있고, 근접장 나노광학 현미경 의 분해능을 AFM 수준인 수 nm까지 끌어올
리는 연구도 동시에 진행하고 있어 펨토기술 을 이용한 국내 나노구조체 연구의 앞날을 밝 게 하고 있다.
3.2. 펨토초 레이저를 이용한 나노 가공 3.2.1. 개요
레이저 가공에서 레이저의 특성은 매우 중 요하다. 레이저의 파장은 가공의 정밀도에 매 우 큰 영향을 준다. 일반적으로 렌즈나 거울의 초점 위치에서 레이저 빛살의 반지름은 파장 에 비례하기 때문에, 자외선이나 X-선과 같이 파장이 짧은 레이저를 사용하면 가공 정밀도 를 높일 수 있다. 레이저의 펄스폭 또한 중요 한 요소이며 가공면의 표면 거칠기에 큰 영향 을 미친다. 레이저 가공은 레이저 빛의 에너지 를 물질이 흡수하면서 일어나는데, 펄스폭이 수-수백 펨토초인 펨토초 레이저는 이보다 펄 스폭이 훨씬 긴 나노초 레이저와 비교할 때, 물질의 에너지 흡수 얼개가 크게 다르기 때문 에, 두 레이저를 이용한 가공은 정밀도와 표면 거칠기에서 큰 차이가 난다[8].
물질을 전자가 포함된 격자라고 볼 수 있는
데, 레이저 빛이 물질 내로 입사하면 먼저 전
자가 이를 흡수하여 격자보다 높은 에너지 상
태에 놓이게 되어 전자와 격자의 평형 상태가
깨지게 된다. 그러나 짧은 시간 안에 전자는
다시 격자와 평형 상태를 이루게 되고 전자가
잠시 가지고 있던 잉여 에너지는 격자의 열에
너지로 변환되고, 이 열에너지가 물질의 가공
으로 작용한다. 여기서 전자가 높은 에너지 상
태에 머무르는 시간을 이완 시간(relaxation
time or lifetime)이라고 하는데, 물질의 특성
인 이완 시간보다 레이저의 펄스폭이 훨씬 짧
은 경우와 훨씬 긴 경우에, 빛 에너지의 흡수
부터 열에너지 발생까지의 과정이 크게 다르
게 된다. 그래서 물질의 일반적인 이완 시간보
다 훨씬 짧은 펄스폭을 가지는 펨토초 레이저
를 이용하는 가공과 나노초 레이저처럼 펄스
폭이 긴 레이저를 이용하는 가공이 가공 얼개
Figure 6. (a)나노초 레이저로 가공한 금속 표면 (b)펨토초 레이저로 가공한 금속 표면[8].
가 다르고 결과적으로 정밀도와 표면 거칠기 같은 가공 결과에서 차이가 나는 것이다.
Figure 6은 이 두 가지 가공 방법을 강철에 적용하여 얻은 가공 결과이다. (a)가 나노초 레이저로 가공한 결과이고 (b)가 펨토초 레이 저로 가공한 결과인데, 표면 거칠기에서 펨토 초 레이저를 이용하는 가공이 훨씬 우수함을 알 수 있다.
펨토초 레이저는 펄스폭이 매우 짧기 때문 에 다른 레이저에 비해 일반적으로 빛 세기가 훨씬 세다. 그래서 물질 내에서 2광자 흡수가 훨씬 잘 일어나는데, 이 현상을 이용하면 다른 종류의 레이저로는 가공이 불가능했던 투명한 물질을 가공할 수 있게 된다. 더욱이 빛 세기 가 셀수록 흡수가 가속되는 2광자 흡수의 특 성 덕분에 레이저 빛살의 중심 영역으로 가공 면적을 더 줄일 수 있으며 이를 통해 가공 정 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
레이저 가공에서의 정밀도는 레이저 빛살을 얼마나 작은 영역으로 모으느냐에 달려 있다.
그래서 레이저를 근접장 탐침을 이용하여 집 속하면 렌즈만으로 집속하는 경우보다 훨씬 더 정밀한 가공을 할 수 있다. 비록 가공이 탐 침 근처에서만 일어나기 때문에 3차원 가공은 힘들지만, 렌즈로 집광할 때의 정밀도인 수백 나노미터보다 훨씬 작은 수십 나노미터의 정밀 도가 가능하다는 것은 이 방법의 큰 장점이다.
3.2.2. 국내외 연구동향
렌즈로 펨토초 레이저를 가공 대상 물질에
집광시키고, 집광 영역에 2광자 흡수 현상이 일어나게 하여 물질을 3차원적으로 가공하는 기술은 펨토초 레이저의 발달을 통해 지속적 인 발전을 이루고 있다. 2003년에 발표된 J.
Serbin 등의 결과에서는 정밀도가 약 150 nm 에 이르고 있고[10], 국내에서도 정밀도가 약 200 nm에 이르는 결과가 2004년에 발표된 바 있다[9]. 또한, 연구 단계가 초기라는 점을 고 려하면 정밀도가 앞으로 더 향상될 것으로 기 대되며, 정밀도 못지않게 중요한 가공 속도도 반복률이 높고 출력이 높은 펨토초 레이저가 개발되면 향상될 것으로 기대된다.
광 도파로형 근접장 탐침으로 펨토초 레이 저를 가공 대상 물질에 유도하는 가공에서 빛 살의 집속된 크기는 탐침의 출구 구경에 의해 결정되므로, 가공 정밀도의 향상을 위해서는 출구 구경이 좁은 탐침의 개발이 필수적이다.
현재 구경이 50 nm인 탐침이 제작 및 판매되 고 있으므로, 조만간 이 정도의 정밀도를 갖는 가공 장치가 제작될 수 있을 것으로 기대된다.
STM 탐침을 이용하여 펨토초 레이저 빛을 국소적으로 집중시켜 물질을 가공하는 기술은 2003년 A. Chimmalgi 등에 의해 처음 시도되 었는데, 약 10 nm의 분해능에까지 도달하였다 [11]. 앞으로 연구 그룹의 확대가 예상되며 더 불어 가공 속도와 반복성 등에서 많은 발전이 있을 것으로 기대된다.
4. 논문 및 특허 정보분석
4.1. 연구논문 정보분석
4.1.1. 정보 분석 대상 DB와 검색조건
연구논문의 정보분석을 위하여 미국의 민간 학술정보전문기관인 Thomson사에서 구축한 주요과학기술문헌 인용색인정보가 수록된 SCIE (Science Citation Index Expanded) 데이터베 이스를 활용하였다. 검색에 사용된 주제어는
“nano"와 ”femto"로 각각 Title과 Topic으로
Figure 7. 펨토 & 나노기술의 연도별 논문건수 동향.
제한하여 나노기술에 활용된 femto기술만을 대상으로 하였다. 이를 다시 응용분야별로 구 분하여 상세한 검색을 실시하였다. 이때 검색 된 총 논문건수는 1994년～2005년 9월까지 총 752건이었다.
극초단, 초정밀, 초고속 등으로 묘사되는 시 간의 극한을 다루는 “펨토기술”과 공간의 극 한을 다루는 “나노기술”의 융합은 응용 잠재 력이 무한하다고 할 수 있다. 현재 응용되는 분야를 크게 나노구조의 분석과 가공기술로 분류할 수 있다. 나노구조 분석에서는 대표적 으로 나노구조체의 동역학(Dynamics) 분석과 근접장 부근에서 발생하는 표면파를 검출 및 분석하는 근접장 나노광학 현미경(Nearfield Scanning Optical Microscope, NSOM)을 들 수 있다. 이들 기술 외에 분광기술(spectro- scope)과 광학적 특성(optical property)을 연 구하는 분야를 들 수 있어 분석에서도 네 기 술을 각각 독립된 것으로 구분하여 보다 정확 한 기술발전 추이를 살펴보고자 하였다.
4.1.2. 펨토 & 나노기술 논문정보분석 (1) 전체동향
Figure 7은 1994년～2005년까지 발표된 752 건의 펨토기술과 나노기술이 접목된 분야의 연도별 논문건수 추이를 나타낸다. 2000년까지
Figure 8. 주요국의 펨토 & 나노기술 연구동향
급속한 성장을 보이다가 2000～2003년까지는 약간 저조한 성장을 보인다. 이후 2004년 급격 한 성장을 보여 통계수치가 불완전한 2003년 을 제외하면 지난 10년간 연평균 65편 가량의 연구논문이 꾸준히 발표되어 왔다.
Figure 8은 발표된 논문의 저자국적에 따른 국가별 추이를 나타냈다. 총 논문건수가 많은 미국(248건), 독일(99건), 일본(98건), 중국(47 건)의 기술개발 선두그룹과 한국(9건)의 연도 별 논문건수 추이를 나타냈다. 각각 1, 2, 3위 를 차지하고 있는 미국, 독일, 일본이 전체 논 문의 약 60%를 차지하여 선진 기술강국의 압 도적인 우위를 엿볼 수 있다. 또한 미국은 전 체논문의 약 32%를 차지하여 전체적인 논문 발표 동향을 주도하고 있다.
(2) 나노구조분석기술 논문동향 1) 세부분야별 동향
나노구조 분석기술의 세부분야별 논문발표
동향을 Figure 9에 나타냈다. 가장 많은 논문
이 발표된 Photo Emission, Luminescence를
포함하는 광특성 분야는 1994년 이후 2004년
까지 지속적인 발전을 보여주고 있다. 시간에
따른 물질의 상태변화를 측정할 수 있는 동역
학 분석은 2000년 46건 발표되었던 것이 점차
감소하여 2003년 26건으로 절반가량 감소하였
다. 그러나 2004년 60건의 비약적인 발전을 보
Figure 9. 나노구조 분석 세부기술 분야별 동향.
Figure 10. 세부기술 분야별 기관 랭킹.
여 전체적으로는 안정적인 증가추세를 보이고 있다. 또한 분석에 중요한 기술인 분광기술관 련 논문은 동역학 분석기술과 유사한 논문증 가추이를 보이고 있다. 이러한 기술을 바탕으 로 하는 근접장 나노광학현미경분야(이하 나 노광학현미경)는 다른 기술에 비해 저조하지 만 1994년 이후 연평균 약 10건의 논문이 발 표되어 꾸준히 발전하고 있다.
2) 연구기관 및 저자
연구기관은 동역학분석과 광특성기술에서 1 위가 Georgia Inst. Tech. (미국)으로 각각 26
건과 20건의 논문이 발표되었다. 분광특성기술 에 있어서는 미국의 Georgia Inst. Tech.와 Emory Univ.가 각각 15건의 논문을 발표했다.
나노광학현미경 분야는 독일의 Free Univ.가
7건으로 1위를 차지했다. 세부기술 분야별 저
자랭킹에서는 이들 상위 연구기관에 소속된
저자들이 거의 모두 상위에 랭크되어 있다. 특
히 전 분야에서 두각을 보이는 저자로는 미국
Georgia Inst. Tech.의 Link S가 광특성 9건,
동역학분석 10건, 분광특성 6건, 나노광학현미경
4건으로 모두 1위에 랭크되어 있어 나노구조 분
석분야에서 매우 중요한 인물로 나타났다.
Figure 11. 세부기술 분야별 저자 랭킹.
(3) 나노크기 가공기술 동향
1994년에서 2000년까지 가파른 성장을 보이 다가 2000년 이후 2003년까지 잠시 주춤하고 2004년에 다시 논문건수가 급격히 증가하는 모습을 보여 전체 논문건수 동향과 거의 일치 하고 있다. 또한 Figure 12에서와 같이 미국이 전체 논문건수에서 차지하는 비중은 35%로 나노구조 분석기술에 비해 높게 나타났다. 한 국은 총 3건의 논문을 발표하여 그림에는 표시 하지 않았지만 영국과 같이 15위에 머물렀다.
4.2. 펨토초 레이저 특허정보분석
4.2.1. 정보 분석 대상 DB와 검색조건
특허정보를 분석하기 위한 데이터베이스로 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 제공하는 KUPA (한국특허DB), USPA (미국특허DB), EUPA (유럽특허DB), JEPA (일본특허DB) 를 선택하였다. 특허검색은 특허제목에서
“nano"를 검색하고, 제목과 초록에서 “femto"
를 검색하여 펨토기술이 이용된 나노기술관련 특허만을 대상으로 하였다. 검색결과 그 건수 가 미미하여 특허분석을 통한 산업 및 기술시 장의 동향파악과 산업화정도를 파악할 수는 없었다. 이는 논문동향분석에서 살펴본 바와 같이 펨토 & 나노기술은 신규 기술분야로 기
Figure 12. 국가별 나노크기 가공기술 관련 논문 발표 랭킹.
술의 산업화 지표라 할 수 있는 특허의 출원 에 이르기까지는 보다 더 많은 연구개발이 선 행되어야 함을 반증한다.
따라서 우선 펨토기술관련 특허에 관한 간 략한 분석을 통해 향후 나노기술의 발전추이 를 간접적으로 파악하였다. 펨토기술의 검색은 현재 펨토초 레이저의 응용이 주로 진행되고 있음을 고려하여, 특허의 주제와 초록부분에서
“femto"와 “laser"를 검색어로 사용하였다.
4.2.2. 특허동향
1994년～2003년까지 10년간 각 DB별 특허
Figure 13. DB별 특허건수동향.
동향은 Figure 13과 같다. 일본에서 117건으로 가장 많은 특허가 출원되었으며 최근 2001년 이후에 급격한 성장을 보이고 있다. 그 뒤를 이어 유럽이 총 85건의 특허를 출원하였고 일 본과 같이 최근에 기술개발에 박차를 가하고 있는 것으로 나타났다. 이에 반해 논문동향에 서는 가장 많은 논문을 발표하였던 미국이 전 체 279건의 특허 중 약 24%에 해당하는 69건 의 특허만이 출원됐다. 한국은 총 8건으로 펨 토초 레이저기술에 있어 기술개발과 투자가 매우 취약한 것으로 나타났다.
5. 향후 전망
펨토기술은 1조분의 1초 안에 일어나는 일 들을 세밀히 밝혀낼 수 있어 화학반응제어 및 나노구조체의 제조에 있어 보다 정밀하고, 손 쉬운 제어가 가능해졌다. 이중 펨토 레이저 기 술은 기존 레이저에 비해 훨씬 미세한 부분을 안정적으로 가공할 수 있어 나노분야에 효과 적으로 활용될 수 있다. 현재 펨토과학 또는 펨토기술로 불리고 있는 이 기술은 세계적으 로 아직 초보적인 연구단계에 있다. 미국, 영 국, 일본, 독일 등은 펨토 레이저를 갖추고 본 격적인 연구를 시작한 단계이고, 우리나라의 경우 지난 2003년 11월 제주도에서 열린 “국 제 펨토 포럼”을 통해 본격적인 펨토기술의
연구에 진입하였다.
현재 세계가 모든 분야에서 소형화를 추진 하고 있어 통신장비, 센서, 의료용 삽입물과 수술기구, 정보저장장치, 인공위성 부품, 로봇 등 다양한 분야에서 나노수준의 미세가공에 대한 수요는 점차 증가할 전망이다[12].
5.1. 펨토초 레이저를 이용한 나노구조 분석 펨토초 시분해능을 갖는 분광학은 극초단, 초고속 자연현상들에 대한 물리․화학적 과정 과 근원을 규명하는 초고속 동역학 연구에 필 수적이다. 이는 단순히 극초단, 초고속의 현상 만을 관측하는 것이 아니라, 미세한 구조적 또 는 물리․화학적 변화에 의한 나노구조물질의 전반적인 특성 규명 내지는 새로운 현상의 발 견에도 크게 기여할 수 있다. 이를 통하여, 기 존에는 이론적으로만 제시되었던 여러 가지 극한 현상들을 실질적으로 관측하고 연구하여, 물성연구기반의 기초학문 발전을 이룰 수 있 을 뿐만 아니라, 미래 산업에 중심이 될 신소 재 및 소자의 극소형화와 정밀한 제어기술 개 발의 밑바탕이 될 것이다.
근접장 나노광학 현미경은 매우 높은 공간 분해능을 광학적으로 구현할 수 있는 특성 때 문에 많은 응용 가능성을 가지고 있는 장비이 며, 이미 국내외의 여러 그룹에서 이것의 직접 적인 이용 내지는 변형을 통하여 물질의 다양 한 광특성을 밝혀내고 있다. 국내에서의 연구 또한 활발하게 진행되고 있으나, 연구그룹의 수가 상대적으로 적은 것이 현실이며, 외국에 비해 근접장 나노광학 현미경의 보유 대수도 상대적으로 적은 것이 사실이다. 이러한 상황 에서, 고등광기술연구소에서는 저온 근접장 나 노광학 현미경의 개발이 진행 중에 있어, 이 장비가 완성되면 반도체, 탄소나노튜브, 초전 도체 등의 광특성 연구 등에 많은 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.
수십 나노미터 크기의 미세 구조체를 관찰
함에 있어 비선형 광학 방법과 근접장 광학
기술의 긴밀한 결합이 필연적으로 요구되고
있다. 예컨대, 합주파수 발생, 제 3고조파 발생 및 2광자 여기 형광 근접장 이미지는 원거리 장 비선형 광학 기술로 얻어진 이미지에 비해 공간해상도를 향상시킬 수 있으며, 시료의 topography 정보뿐 아니라 비선형 광학 근접 장 이미지를 동시에 살펴볼 수 있는 장점을 갖고 있다.
펨토초 레이저를 사용한 시간-공간 분해 비 선형 광학 장치를 이용하면 액체나 고체의 표 면에서 일어나는 전자 및 진동 상태의 이완, 물과 같은 생체막에서 수소결합 구조, 생체막 에서의 단백질의 결합과 방위 및 나노 크기의 다양한 구조체의 비선형 광학 특성 분석 등 그 동안 측정하기 힘들었던 표면과 시료 내부 의 현상들을 실시간으로 측정할 수 있다. 또 한, 화학적, 생물학적, 의학적으로 관심의 대상 이 되어온 다양한 나노구조체 연구에도 그 적 용 범위를 확대시킬 수 있을 것이다.
5.2. 펨토초 레이저를 이용한 나노 가공
기존의 레이저 가공에 사용되는 연속출력 (CW) 혹은 나노초 레이저로는 수백 나노미터 이하의 표면 거칠기를 얻기가 거의 불가능하 므로, 나노 가공을 위해서는 펨토초 내지는 피 코초 레이저를 이용해야 할 것이다. 펨토초 레 이저 가공 방법은 가공 대상 물질에 보내는 전송 방법에 따라, 렌즈로 유도하는 방법, 근 접장 탐침으로 유도하는 방법 등으로 나눌 수 있다. 렌즈 유도 방식은 근접장 탐침 유도 방 식에 비해 정밀도가 낮지만, 가공 대상 물질의 범위가 넓고 3차원 가공이 가능하다는 장점이 있다. 반면에 근접장 탐침 유도 방식은 렌즈 유도 방식에 비해 훨씬 높은 정밀도를 갖는 대신에, 가공 대상 물질이 탐침 구성 물질에 의해 제한되고 2차원 가공만이 가능하다.
펨토초 레이저를 이용한 나노 가공 기술은, 대규모의 시설이 필요하고 세척 과정에서 환경 오염 물질이 발생하는 다른 나노 가공 기술에 비해 훨씬 경제적이고 환경 친화적인 기술이다.
더구나 이 기술은 암세포 제거와 같은 BT 분
야와도 많은 연관성을 갖고 있어 다양한 융합 기술들을 창출할 수 있을 것으로 기대된다[13].
5.3. 분야별 응용기술
5.3.1. 투명재료
주로 광통신용 소자의 제조에 응용이 기대 되는 분야로 펨토초 레이저를 통한 내부가공 으로 소재의 굴절률을 조절하여 도파로를 형 성하거나 광섬유 내부에 대한 그레이팅(파장 필터, 분산, 반사)의 형성이 가능하다. 또한 광 결정의 제조나 부가가치가 높은 사파이어, 다 이아몬드, 수정 등의 정밀하고 미세한 커팅, 드릴링에도 응용이 가능하다.
5.3.2. 반도체 재료
다양한 반도체 재료의 가공 및 개질에 응용 이 가능하다. 특히 기존 다이싱(dicing)을 통 한 가공의 열 변형에 의한 파손과 데브리 (debris)의 문제를 경감시켜 고부가가치의 첨 단 소자가공에 유익하다.
5.3.3. 바이오․의료
의료분야의 응용은 현재 치과, 이비인후과, 안과, 정형외과, 뇌신경외과 등에서 폭넓게 연 구되고 있다. 또한 바이오 분야에서 유전자, 단백질, 당쇄(糖鎖) 분석용 질량분석장치로의 적용이 검토되고 있다.
6. 결 론
20세기에 들어와 아인슈타인 등에 의하여
시간과 공간이 서로 독립적인 것이 아니고 동
일한 프레임 속에서 상호 연관되어 있음을 알
게 되었다. 지금까지의 나노기술은 공간의 극
한을 추구하여 이러한 미세나노구조를 제작하
고 그 안에서 발생되는 여러 가지 특이한 현
상들을 규명하는 연구들을 계속하여 왔다. 또
한, 이러한 특이 현상들을 이용하여 21세기의
새로운 기능성 소자들을 개발하고 있다. 그러 나 이러한 나노구조를 제작하거나 특이한 현 상을 규명하는 데에는 본고에서 설명한 바와 같이 펨토기술이 매우 중요한 역할을 하게 됨 을 알 수 있다.
과학기술이 인류의 복지 향상과 건강한 자 연계를 유지 발전시키기 위해서는 다양한 학 문 분야가 고르게 발전되어야 한다. 특히, 공 간의 극한 기술인 “나노기술”과 대비되는 시 간의 극한 기술인 “펨토기술”이 균형 있게 발 전되어야 할 것이다. 미래학자들이 21세기에는 기존의 전자기술의 한계를 극복하는 광기술의 시대가 도래할 것으로 예측하였으며, 이러한 광 기술의 총아인 펨토기술과 현재 집중 투자되고 있는 나노기술이 서로 융합된 “나노ㆍ펨토기술”
이 극초단 극미세계를 인간이 제어하는 데 있 어 중요한 역할을 하게 될 것으로 생각된다.
참 고 문 헌
![Figure 6. (a)나노초 레이저로 가공한 금속 표면 (b)펨토초 레이저로 가공한 금속 표면[8]. 가 다르고 결과적으로 정밀도와 표면 거칠기 같은 가공 결과에서 차이가 나는 것이다](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/4991020.303571/6.808.87.389.113.242/나노초-레이저로-가공한-펨토초-레이저로-결과적으로-정밀도와-결과에서.webp)
