[기고] 나노 기술이 광학·광자 기술에 미치는 영향

[테크월드뉴스=이재민 기자] 같은 전자 장치라도 해를 거듭하다 보면 초기 제품보다 훨씬 작은 크기로 소형화된다. 전자 장치에서 전자 부품(배터리와 회로 등)은 마이크로(µ=10⁻⁶)수준에서 나노(n=10⁻⁹)수준으로 축소돼 전체 크기를 줄이는 동시에 효율을 높게 유지한다.

그러나 광학 부품을 사용하는 장치는 높은 품질을 요구하고 장치 자체가 정밀해야 하기 때문에 소형화와 성능 향상이 매우 까다롭다. 그래서 광학·광자 장치에서는 다양한 특성을 지닌 나노 물질을 이용해 소형화와 성능 향상을 꾀하고 있다. 이제 나노 물질은 렌즈의 광학 코팅에서부터 광 검출기와 광 편광기에 이르기까지 모든 분야에 사용된다.

소형화와 성능 향상을 돋는 나노 물질

나노 물질은 다양한 특성으로 빛을 흡수, 반사, 조작해 원하는 효과를 수행할 수 있다. 이런 특성은 광학 부품을 사용하는 장치는 물론 광범위한 광학·광자 장치에 실제로 이용되고 있다.

크기가 작은 나노 물질을 사용하는 부품과 장치는 다른 장치들보다 더 작게 만들 수 있다. 또 나노 물질의 높은 활성 표면적을 이용하면 빛의 특성을 조작하고 변경할 수 있다. 많은 광학 부품이 전자 장치에 사용되므로 광전자 장치와 같이 광학적 기능과 전자적 기능을 모두 수행하는 장치도 고전도성 재료를 필요로 한다. 나노 물질의 전기 전도성과 내마모성, 단단함은 활용성이 높다. 이런 특성은 민감한 광학 부품이 손상돼 부품의 광학 효율이 변하는 것을 방지한다.

광학·광자 기술에 사용되는 나노 물질의 또 다른 중요한 측면은 나노 물질은 강한 빛과 물질의 상호작용으로 광학 부품이 빛과 효율적으로 상호작용하도록 보장한다는 것이다. 나노 물질은 광범위한 광학 반응과 빠른 이완 시간을 보여주며 일부는 테라헤르츠(㎔) 기술에 사용할 정도로 효율적이다. 광학 부품이 나노 크기를 유지하는 경우에도(더 큰 부품의 일부가 아닌 독립적인 나노 부품으로 사용되는 것을 의미) 부피가 큰 다른 광학 부품과 쉽게 통합할 수 있다.

광학 코팅으로 성능과 단단함 증대

광학 부품의 나노 소재는 기능을 위해 광학 특성에 의존하는 완전한 디바이스에서부터 비광학 장치에 사용되는 부품과 장치의 광학 특성을 보호하고 향상시키기 위해 사용되는 광학 코팅에 이르기까지 다양하다.

렌즈는 많은 전자 장치와 대규모 기술에 사용된다. 렌즈는 전체를 나노 물질로 만들기에는 너무 크다. 그러나 서로 다른 재료의 나노 구조를 다양한 렌즈에 통합해 렌즈의 광학 성능과 단단함을 높일 수 있다. 렌즈에 대한 일반적인 옵션 중 하나는 나노 물질 기반 코팅(또는 최첨단 애플리케이션을 위한 특수 박막)을 사용하는 것이다. 이 코팅은 렌즈에 나노 물질을 직접 통합하지 않고도 렌즈의 성능과 내마모성, 단단함을 향상시킨다. 이 방법은 훨씬 저렴한 표준 렌즈를 사용할 수 있기 때문에 비용이 더 적게 든다. 뿐만 아니라 코팅을 사용하면 반사 방지 특성과 같이 렌즈에 특정 효과를 줄 수 있다.

기본 렌즈는 보통 나노 물질을 필요로 하지 않는다. 하지만 렌즈 내 나노 구조와 코팅, 박막을 사용하면 기본 성능과 광학 선명도를 향상시키고 렌즈의 특성을 크게 바꿀 수 있다. 예를 들면 렌즈를 광학 필터 또는 광학 편광기로 만드는 것이다.

이와 함께 나노 물질이 응용되는 또 다른 분야로는 광 공진기와 포화 흡수체, CMOS 센서, 초고속 레이저를 위한 광 스위치, 생체 분자 검출을 위한 광학 바이오센서와 웨어러블 광학 기술 등이 있다.

빛과 상호작용하는 나노 물질, 광자 기술에도 유용

나노 물질은 광자 애플리케이션에서 특정 분야에만 사용된다. 하지만 광자 기술도 광학 기술처럼 빛을 다루기 때문에 겹치는 사용 분야가 있다.

설계 엔지니어는 나노 광자 구조를 다양한 렌즈에 통합할 수 있다. 나노 물질로 강화한 광학 렌즈와 마찬가지로 나노 광자 구조는 현미경의 성능을 높여준다. 나노 광자 기술의 중요한 영역은 광 검출기다. 나노 물질의 전자기 흡수 특성은 효율적인 광학 검출기를 만들 수 있다. 광 검출기는 컴퓨터를 포함해 많은 기술에 사용된다. 또 나노 물질은 넓은 흡수 스펙트럼을 가져 광 검출기는 자외선(UV)과 적외선(IR), 가시광선의 광자를 검출할 수 있다.

나노 물질은 전파하는 빛과 강한 상호작용을 하기 때문에 광섬유 케이블 내 다양한 부품을 만드는 데에도 사용되고 있다. 여기에는 광학 필터와 브래그 격자가 포함된다. 이 부품들은 광섬유 케이블 내에서 자체적으로 사용되거나 광섬유 풍속계와 같은 다른 부품을 구성하는 데 사용된다.

나노 물질이 광자 장치에 사용되는 다른 분야로는 전자기파를 전류로 변환하는 광섬유 정류 안테나(렉테나)와 향상된 자기 기록 장치, 분광학과 태양전지 기술 등이 있다.

최근에 발전한 광학·광자 기술은 정밀한 부품을 요구해 다른 기술들보다 기술 향상이 어렵다. 그러나 수년 동안 나노 물질이 갖는 빛과의 강한 상호 작용, 빛의 특성을 조작할 수 있는 특징으로 나노 물질이 활용되면서 첨단 나노 물질의 광학·광자 부품을 사용하는 많은 기술이 개발되고 있다.

글 : 리암 크리츨리(Liam Critchley)
자료제공 : 마우저 일렉트로닉스(www.mouser.com)