[광학] 나노 광학과 플라즈모닉스 : 빛과 나노 세계의 융합

 

 오늘날 광학(Optics)과 나노 기술(Nano-technology)의 융합으로 탄생한 나노 광학(Nano-optics)과 플라즈모닉스(Plasmonics)는 빛을 나노미터(nm) 규모에서 제어 및 응용하는 혁신적인 연구 분야로 알려져 있다. 이 두 가지의 분야는 고해상도 이미지 처리와 고효율 에너지 변환 또 초고속 통신이나 바이오센서 개발과 같은 오늘날 꼭 필요로 하는 분야들에서 혁신을 이루며 과학과 공학의 경계를 점점 확장하고 있다. 먼저 나노 광학은 빛의 파장보다 작은 구조와 상호작용하는 빛의 성질에 대해서 연구하는 분야를 말한다. 빛은 전자기파이며, 전자기파의 파장은 일반적으로 인간이 조작할 수 있는 물질의 크기보다 작다.

그러나 나노 광학에서는 나노미터 수준의 구조에서 빛을 제어하고 활용하는 것이 가능하다. 나노미터 크기를 가지는 구조는 빛과 상호작용하는 과정에서 산란과 흡수, 굴절과 같은 다양한 광학적인 현상을 발현한다. 그러나 전통적인 광학에서는 빛의 파장보다 작은 크기의 구조를 관찰하거나 조작하는 데는 제한이 존재하는데, 이를 회절 한계(diffraction limit)라고 한다. 그러나 나노 광학에서는 표면 플라즈몬 공명(SPR)과 근접 광학(Near-field-optics) 등의 기술을 활용하여 이 한계를 극복하고 있다. 앞에서 언급된 플라즈몬은 금속과 나노 구조 사이에서는 플라즈몬(Plasmon)이라고 하는 독특한 현상으로, 이 플라즈몬이 나노 광학의 핵심적인 기술로 자리 잡고 있다. 이러한 플라즈몬 현상으로 인해 기존의 한계가 극복되었고, 나노 스케일에서 빛의 특성을 활용할 수 있게 된 것이다.

플라즈모닉스는 금속의 표면에서 빛이 자유 전자와 상호작용하면서 생성되는 표면 플라즈몬 현상에 대해서 연구하고 이를 이용 및 활용하는 분야이다. 표면 플라즈몬은 금속과 빛 사이의 전자기파이며, 나노 스케일에서 빛을 제어할 수 있는 강력한 도구이다. 잠시 언급한 SPR, 즉 표면 플라즈몬 공명은 특정 파장을 갖는 빛이 금속 표면에서 자유 전자들과 결합하며 공진을 일으키는 현상을 말한다. 이러한 공진은 나노 구조에서 빛을 강하게 '국소화'할 수 있으며, 빛과 물질의 상호작용을 극대화하는 데 사용된다. 또한 LSPR이라 불리는 로컬 표면 플라즈몬 공명은 나노미터 크기의 금속 입자에서 나타나는 공진 현상을 일컫는데, 특정한 파장의 빛에 강하게 반응한다는 특징이 있다. 해당 현상은 센싱과 이미지 처리 기술에서 매우 민감한 응용 및 활용을 가능하게 한다는 특징이 있다. 이러한 기술은 다양한 분야에서 응용되고 있는데, 대표적으로 나노 광학과 플라즈모닉스는 빛의 초국소화가 가능하다는 이점을 활용하여 나노미터 크기의 구조를 관찰하고 분석할 수 있다고 하였다.

이를 이용하여 근접장 광학 현미경으로 회절 한계를 뛰어넘는 초고해상도의 이미지 처리가 가능하며, 기존 라만 분광법이 강화되어 표면 플라즈몬을 활용한 표면 강화 라만 산란 기술은 극도로 작은 샘플 내의 분자에 대해 분자 정보를 감지할 수 있다. 또한 플라즈모닉스는 태양광 셀(cell)의 광 흡수 효율을 증가시킬 수 있어서, 에너지 변환 효율을 향상할 수 있고 플라즈모닉스 기반의 나노 구조는 더 밝고 효율적인 발광이 가능하게 한다. 바이오센서나 의료 기술에서도 해당 기술을 많이 적용하고 있는데, 대표적으로 SPR 센서는 표면 플라즈몬 공명 센서라고 하며, 이는 극도로 민감하기 때문에 DNA, 단백질, 그리고 바이러스 등의 검출에 활용되고 있다. 또한 플라즈모닉스는 특정한 조직이나 세포에 약물을 정확히 전달하는 나노 메디신 기술에도 기여하고 있다. 플라즈모닉스는 나노 스케일에서 데이터를 처리하고 저장하는 기술로 널리 발전하고 있는데, 이를 기반으로 한 광 통신 기술은 현재의 전자를 기반으로 하는 전자 기반 기술보다 더 빠르고 효율적인 데이터 전송을 가능하게 한다는 장점이 있다.

 그러나 플라즈모닉 현상은 주로 금이나 은과 같은 금속에서 잘 나타나기 때문에, 높은 비용과 제한적인 물리적 특성을 가지고 있다는 단점도 존재한다. 이에 따라 대체할 수 있는 재료를 개발하는 것이 주요 과제라 할 수 있다. 또한 금속에서 빛이 자유 전자와 상호작용할 때마다 에너지 손실이 발생하게 되는데, 이러한 손실은 기술의 효율성을 제한하는 주요 요소로 꼽힌다. 또 다른 단점으로는 나노 구조를 설계하고 제조하는 과정에 있는데, 이러한 과정은 매우 정밀하고 복잡한 공정이 필요하기 때문에 비용이 많이 들고 대량 생산할 수 있는 공정 기술이 요구된다는 문제점이 있다. 이러한 단점에도 불구하고 나노 광학과 플라즈모닉스는 차세대 전자-광학 융합 기술이라고 불린다. 전자와 광학 기술을 융합하여 더 빠르고 효율적인 정보 처리와 정보 저장이 가능하기 때문에 광 컴퓨팅과 같은 새로운 패러다임을 열어갈 가능성을 제공하기 때문이다. 또 플라즈모닉을 기반으로 하는 센서들은 앞에서 언급한 것처럼 더 민감하고 빠른 속도로 질병을 진단하고, 환경 오염을 감지하거나 식품 안전 모니터링에 활용될 수 있다. 또한 양자 광학과 결합하여 양자 정보 처리나 보안 통신에서 중요한 역할을 할 수도 있다. 플라즈몬 기반의 양자 소자는 초고속 데이터 처리와 오늘날 중요한 관심사인 양자 컴퓨팅 발전에도 크게 기여할 것이라고 한다.

[광학] 광학을 통한 의료 영상 기술의 발전

 

[광학] 빛의 속도와 특수 상대성 이론

 

[광학] 빛의 특성과 스펙트럼 : 가시광선부터 라디오파까지