京都대학 대학원 공학연구과의 平尾一之 교수팀의 연구에서 펨트(1000조분의 1)초 레이저의 싱글빔을 이용, 플라즈마 전자와의 간섭을 일으켜서 약 1초만에 유리 등의 내부에 나노주기구조를 제작할 수 있다는 것을 알았다. 싱글빔으로 간섭을 일으키는 현상의 발견은 흥미가 깊어 새로운 나노가공기술로 주목된다. 보통 빛은 회절하기 때문에 렌즈로 집광해도 스포트 경(俓)은 파장 이하로는 내려가지 않는다. 그러나 이번에는 레이저의 파장 800나노미터의 반 이하로 나노가공을 실현하였는데, 이는 빛의 회절한계에 대한 한계극복이기도 하다. 주기구조의 방향이나 주기간격이 레이저빔의 조사조건에 따라 변화한다는 점에서 平尾 교수팀은 싱글빔에 의한 이 주기구조를 ‘빛의 지문’이라고 부른다. 나노 단위의 주기에서 굴절률이 변조하는 주기구조를 형성하려면 2개 이상의 레이저빔을 간섭시키는 방법과 위상판을 이용하는 방법이 일반적으로 행해지고 있다. 단, 이 방법으로라면 레이저빔의 광로와 위상을 엄밀하게 조정할 필요가 있다. 펨트초 레이저에서는 유리나 결정 등의 투명재료의 임의의 위치에 집광조사하는 것만으로 주기구조를 만들 수 있다. 미소광학소자 제작 등으로 제작 프로세스를 대폭 간소화할 수 있다. 이번의 주기구조 제작에서는 싱글빔이므로 레이저끼리의 간섭이 아님은 명확하다. 주기구조를 제작할 수 있는 구조는 레이저 집광부 근방에서 발생하는 플라즈마와 레이저포튼(광자)가 간섭하여 플라즈마 전자의 종파(縱波)가 집광부 근방에 국재화(局在化)한다고 생각된다. 실험에서 사용한 펨트초 레이저는 파장 800나노미터, 펄스 폭 150펨트초. 가공한 유리(SiO2)는 사방 1센티미터에 두께는 5밀리미터. 표면에서부터 100마이크로미터 내부에 폭 10~20나노미터, 간격 100나노미터의 줄무늬 주기구조가 만들어졌다. 집광점 근방을 조사하기 위해 연마하여 단면을 조사해 보았다. 집광점 근방은 상하 방향의 길이는 약 몇 마이크로미터로 생각된다. 즉 줄무늬의 주기구조가 3차원으로 형성되어 있다는 것이 된다. 이번에는 1펄스를 집어넣은 것뿐이지만 유리에 집광조사한 시료를 움직이면 보다 큰 구조를 제작할 수 있다. SiO2의 검은 선 부분은 산소가 0.4정도 압출되어 1.6정도가 된다. “실리콘에 가까운 조성은 되었지만 순수한 실리콘은 아니다”(平尾 교수)라고 한다. 또 선과 그 주위에서는 굴절률은 1 % 정도 달라졌다. 레이저의 펄스에너지는 1~3마이크로줄 정도이고, 주기구조 간격은 약 100~400나노미터로 제어되어 있다. 펄스에너지가 작아짐에 따라 주기구조의 간격은 좁아진다. 실험에 의한 에너지와 간격의 관계는 이론계산 결과와도 잘 일치한다. 펄스 에너지를 더욱 낮춤으로써 간격 100나노미터 이하도 가능하다고 볼 수 있다. 또 편광제어소자 등에 이용되고 있는 산화텔루르(TeO2) 결정에 레이저를 집광조사한 경우에는 DFL와는 달리 폭 수 십 나노미터, 몇 마이크로미터 크기의 빈 구멍이 생긴다. 예를 들면 레이저를 집광조사하고 그대로 시료를 이동시키면 빈 구멍의 사이즈도 커진다. 원하는 위치에 구조를 만들어 넣을 수 있기 때문에 나노필터나 나노체, 3 차원 나노유로 제작 등에도 응용할 수 있다. 또 편광의 방향을 바꾸거나 시료를 직각으로 회전시키거나 하면 2 차원의 격자상 구조도 만들어 넣을 수 있다. 앞으로 더 깊은 연구에 들어가게 되는데, 레이저의 펄스 폭을 100펨트초 이하로 하면 “선 폭이 가늘어진다고도 생각할 수 있는데, 보다 깨끗한 가공면이 되리라고 생각한다”(下間靖彦 京大 연구원)고 한다. 平尾 교수 등의 연구에서 희토류를 녹인 유리에 펨트초 레이저를 집광조사하면 희토류 원소의 가수(價數)를 낮출 수 있었다. 또 유리 속에 금 등을 녹여 넣고 레이저를 집광조사하면 나노오더의 결정을 석출시키거나, 없애거나 할 수 있다는 것도 알았다. 앞으로는 이번 성과를 희토류를 녹인 유리에 이용하여 광스위치 등 복합나노구조 제작에도 들어갈 예정이다. (NK)