[미리보는 '금요일에 과학터치'] 빛과 나노 기술

물방울 속으로 투과된 광선의 굴절과 내부 반사로 나타나는 무지개. 고려대 물리학과 박홍규 교수 연구팀 제공

빛은 직진, 반사, 굴절, 분산 등 여러가지 성질을 갖고 있다. 우리는 매일 이러한 현상들을 보고 있지만 빛의 성질을 이용해 엄청나게 강한 빛인 레이저를 만들 수 있다는 것은 정확히 알지 못하고 있다. 빛의 성질을 공부하면 무지개와 레이저의 원리 또한 잘 이해할 수 있다.

무지개는 빛의 특징을 잘 나타내는 것이다. 일곱 색깔로 빛나는 무지개는 공기 중 물방울로 인해 태양 광선이 굴절되거나 반사될 때 생긴다. 일반적으로 비가 그친 뒤 태양의 반대편에서 관찰된다. 1차 무지개는 빛이 물방울 안으로 굴절, 입사돼 그 속에서 1회 반사한 뒤 굴절, 빠져 나올 때 생기는 것으로 우리 주변에서 자주 볼 수 있는 것이다. 2차, 3차 무지개는 빛이 물방울 안에서 각각 2회, 3회 반사될 때 생성된다.

빛을 원하는 대로 통제, 조절하는 것은 매우 어렵다. 하지만 이 기술은 빛을 이용하는 LED나 레이저와 같은 장치를 만드는 데 필수적이다. 게다가 매우 작은 크기의 빛을 이용하는 장치를 만들기 위해서는 나노 기술이 함께 사용돼야 한다. 빛과 나노 기술이 어떻게 결합될 수 있는지, 그리고 빛을 어떻게 통제하고 조절할 수 있는지 살펴보면 빛을 이용하는 현대 기술들을 더욱 쉽고 재미있게 이해할 수 있을 것이다.

고려대 물리학과 박홍규 교수 연구팀은 2009년부터 교육과학기술부와 한국연구재단의 지원을 받아 극미세 나노선 광소자 연구단을 이끌고 있다. 연구팀은 금속의 표면을 따라 레이저 빛이 증폭되는, 세계에서 가장 작은 레이저 개발에 성공했다. 또 금속 나노 안테나를 이용해 작은 나노 구슬을 원하는 곳에 위치시키는 기술도 개발했다. 최근에는 실리콘 나노선을 이용해 가장 작은 태양전지를 개발하기도 했다.

연구팀의 목표는 빛을 이용하는 장치들을 실생활에 사용할 수 있도록 기능을 더욱 개선하는 것이다. 이를 통해 가까운 미래에는 빛으로 움직일 뿐 아니라 태양빛을 에너지원으로 활용할 수 있는 광컴퓨터를 개발할 수 있을 것으로 기대한다.

이번 강연에서는 빛의 기본적인 성질인 직진, 반사, 굴절, 분산 등에 대해 살펴보고 이 같은 특징들이 실생활에서 어떻게 관측되는지 알아본다. 빛의 기본적인 성질들을 이용해 빛을 강하게 증폭시킬 수 있는 레이저 장치를 만들 수 있는데 레이저 빛이 발생되는 원리와 레이저의 특성도 설명한다.

현재 다양한 분야에서 기술적인 한계를 극복하기 위해 나노 기술을 널리 활용하고 있다. 나노 기술은 10억분의 1m의 물질들을 이용하는 극미세 가공 과학기술. 빛을 이용하는 광학 분야에서도 나노 기술을 이용한 새로운 장치들이 많이 개발되고 있다. 예를 들어 레이저 경우 나노 크기의 레이저가 개발돼 이제는 건전지만으로도 레이저를 동작시킬 수 있게 됐다. 레이저 포인터가 대표적인 상품.

이번 강연에서는 빛과 나노 기술을 접목시킨 광결정 구조도 소개한다. 광결정 구조를 이용하면 빛을 원하는 대로 조절, 통제하는 것이 가능하기 때문에 빛을 활용할 수 있는 방법이 무궁무진해진다. 또한 광결정 분야의 최신 연구 동향도 안내한다. 이처럼 빛과 빛을 이용한 장치들을 지속적으로 연구하면 미래에는 빛으로만 움직일 수 있는 매우 빠른 속도의 광컴퓨터가 개발될 것으로 기대한다.