테라헤르츠파 이온화 현상 발견…안전 기준값 제시

국내 연구팀, 관련 논문 발표

▲단일 금속 나노 섬 구조에 테라헤르츠 전자파를 조사해 초집속 되는 상황.[사진제공=한국연구재단]

[아시아경제 정종오 기자] 테라헤르츠파(Terahertz)의 이온화 현상이 처음으로 발견돼 관심을 모으고 있다. 이번 연구를 응용하면 테라헤르츠 파의 안전한 사용을 위한 기준 값을 알 수 있다. 여기에 선명한 해상도로 원자 크기의 미세 가공을 하거나 특정 분자 물질을 선택적으로 검출하는 초고감도 센서로 활용될 수 있다.

테라헤르츠파는 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 엑스선(x-ray)처럼 물체의 내부를 투과해 볼 수 있고 에너지가 낮아 비이온화 특성을 지니기 때문에 인체에 해를 입히지 않는다고 알려져 있다. 의료 영상 분야 활용 가능성도 크다. 테라헤르츠파는 1초에 10의12 제곱 만큼 진동하는 주파수를 가진 전자파를 말한다.

이온화는 전자나 분자에 전자를 더하거나 제거해 이온의 상태가 되게 만드는 것을 말한다. 물질의 구조 변화를 가져오며 인체에도 영향을 미친다. X레이나 자외선을 오래 쬘 때 일어나는 인체(피부) 변화가 파장에 의한 이온화의 한 예이다.

최근 몇몇 고출력 테라헤르츠 광원이 개발되면서 어느 정도의 세기까지가 안전한지에 대한 논란이 있다. 빛은 파장보다 매우 작은 크기의 물체와 반응할 때 파장과 물체 크기의 비율만큼 빛이 집속되면서 단위 면적당 세기가 크게 증폭된다. 이렇게 모이고 세진 전자파는 전하를 한쪽으로 몰리도록 하는 '폰더로모티브(ponderomotive)' 에너지에 의해 가속된다.

이번 연구에서는 금속판 가운데 나노 구멍을 뚫은 것(nano-slot-antenna)을 깔대기처럼 사용해 테라헤르츠 전자파인 펨토(10의-12승)초 레이저를 모은 다음 나노 구멍 한가운데에 섬처럼 위치한 나노 메타 물질(金)과 상호작용하도록 만들어 주변 탄소 물질의 이온화를 유도했다.

중간 세기의 테라헤르츠 전자파 광원을 이용해 테라헤르츠 전자파의 세기를 국소적으로 증폭하는데 성했다. 증폭한 테라헤르츠 파가 나노 구멍 속 금속 메타 물질의 탄소를 이온화 하는 것을 관찰함으로써 비이온화 전자파로 알려져 있던 테라헤르츠 파가 임계 세기 이상이 되면 이온화 작용을 한다는 것을 처음으로 밝힌 것이다.

테라헤르츠파를 나노 크기로 집속하는 이번 기술은 기존보다 수백 배에서 수 십 만배 이상 그 세기를 증폭시킬 수 있다. 선명한 해상도로 원자 크기의 미세 가공을 하거나 특정 분자 물질을 선택적으로 검출하는 초고감도 센서로 활용될 수 있다는 것이다.

김철기 박사(KIST), 서민아 박사(KIST), 박규환 교수(고려대), 강지훈 박사(UC Berkeley) 등이 이번 연구를 이끌었다. 과학 학술지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)지 온라인(early view) 판 5월 22일 자(논문명: Observation of terahertz-radiation-induced ionization in a single nano island)에 실렸다.

서민아 박사는 "이번 연구는 기술적 어려움으로 쉽게 구현할 수 없었던 고출력 테라헤르츠 광원의 물질과 상호작용 특성을 살펴보고 테라헤르츠 파의 안전한 사용을 위한 기준 값을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다"며 "새로운 응용 분야로의 활용 가능성을 보여주고 있어 앞으로 지속적 연구가 기대된다"라고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr