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물리학과 첨단기술 January/February 2008 9
연 X-선 빔라인 최근 활용 현황
김 봉 수 ․이 한 길 ․김 재 영 ․김 형 도 ․임 규 욱 ․황 찬 국 ․강 태 희 ․박 재 헌
그림 1. Insertion device의 개념도 (출처: SPRING 8).
저자약력
김봉수 박사는 1990년 아이오와 주립대학교에서 박사학위를 취득하고, 1992
년부터 포항가속기에서 재직 중이다. ([email protected])
이한길 박사는 2001년 KAIST에서 화학 박사학위를 취득하고, 2005년부터
포항가속기연구소에 재직 중이다. ([email protected])
김재영 박사는 2000년 서울대에서 물리학 박사학위를 취득하고, 2002년
부터 포항가속기연구소에 재직 중이다. ([email protected])
김형도 박사는 1996년 서울대에서 물리학 박사학위를 취득하고, 2002년부터 포항가속기연구소에 재직 중이다. ([email protected])
임규욱 선임연구원은 2000년 성균관대에서 물리학 석사학위를 취득하고, 2001년부터 포항가속기연구소에 재직 중이다. ([email protected])
황찬국 박사는 2000년 성균관대학교에서 물리학 박사학위를 취득했으며
2002년부터 포항가속기연구소에 재직 중이다. ([email protected])
강태희 박사는 2003년 성균관대학교에서 물리학 박사학위를 취득했으며
1989년부터 포항가속기연구소에 재직 중이다. ([email protected])
박재헌 박사는 2001년 아이오와 주립대학교에서 박사학위를 취득했으며
2005년부터 포항가속기연구소에서 선임연구원으로 재직 중이다.
서 론
“Brighter (beam intensity), Smaller (high resolution),
Lower (temperature)”
인류의 역사와 함께하고 있는 과학(science) 발 은 각 시
기의 획기 인 발견에 의해 발 을 거듭하고 있다. 뉴턴의 만
유인력, 아인슈타인의 상 성이론 등은 많은 뛰어난 과학자들
에 의해 발 되어 인류의 지 발 에 큰 기여를 해 온 것이
사실이다. 하나의 획기 인 발견을 들자면 자(electron)의 발견을 들 수 있는데, Thomson 경에 의한 자의 발견이
후 많은 과학자들이 이를 이용한 다양한 과학 인 사고를 하
게 된다. 이 하나가 인 으로 자로부터 방사 을 발생
시킬 수 있다는 생각인데, 1947년 General Electric Research Laboratory에서 입자 가속기의 에 지 손실(energy loss)에
한 연구 도 우연히 가속기를 빠져 나오는 빛을 발견하게
되고 곧 이것이 가속 자에서 발생하는 방사 임을 인식, 여러 가지 측정을 수행함으로써 인공 방사 의 역사가 시작
되게 된다.
이것을 시작으로 하여, 입자 가속기에서 발생하는 방사 을
이용하거나 소규모 자 장링(Storage Ring)을 이용하여
방사 을 이용한 과학 분야가 형성되게 된다. 이를 일반 으
로 1세 방사 가속기라고 한다. 이를 기반으로 하여 방사
발생시간(life time)을 지속 이고 효율 으로 발생하도록
설계된 자 장링을 이용하는 것을 2세 방사 가속기라
고 하는데, 휨자석(bending magnet)을 이용하여 여러 빔라인
을 만들어 다양한 실험을 할 수 있게 되었다. 2세 가속기에
서 분해능과 빔세기 등에 한 개선 을 고민하던 에
1970년 말에서 1980년 에 거쳐 장링에서 회 하고 있
는 자의 궤 에 삽입장치(insertion device)를 설치하여
자 궤 에 일정 주기의 굴곡(undulation)을 만듦으로써 각
굴곡 선에서 발생하는 방사 특정 장의 자기 즉
빛의 간섭 효과에 의해서 brightness(photon flux per unit solid angle per unit spectral band width)를 엄청나게 증
가시킬 수 있는 언듈 이터(undulator)의 개발이 이루어짐으
로써 방사 가속기에 획기 인 발 을 이루기 시작하여
1980년 말부터 최 화된 가속기가 등장했다. (그림 1) 이게 가속기는 발 을 거듭하여 재 3세 라고 불리는 가속
기들이 세계 여러 곳에서 운 되고 있다. 재 세계에
는 30여 개 정도의 가속기가 운 되어 다양한 분야의 첨단
과학연구에 큰 기여를 하고 있다. 포항가속기연구소도 3세
가속기로써 이러한 과학 발 에 큰 기여를 하고 있다고 자부
한다. 한, 제 4세 방사 이라고 불리는 자유 자 이
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(FEL: free electron laser)를 이용한 가속기 한 세계 으로
건설 에 있는데, 분자 동력학 같은 시간분해(time resolved) 련 연구를 해 이 한 매우 요한 요소로 그 요성이
더해지고 있다.일반 으로, 방사 은 사용되는 에 지 역에 따라 크게
연 X-선(soft X-ray)과 경 X-선(hard X-ray)으로 구분한다. 방사 가속기는 보통 외선에서 수십 keV에 이르는 넓은
범 의 방사 을 발생하는데 실제 실험에는 분 기를 이용하
여 갈라낸 단일(monochromatic) 장의 빛을 사용하는 경
우가 많다. 분 에는 단결정을 이용한 래그 회 (Bragg diffraction) 방법을 사용하게 되는데 Si 단결정이 주로 사용
된다. 이때 Si(111) (L=0.3135 nm)면을 사용하게 되면 최
략 4 keV까지의 빛을 분 할 수 있다. 이보다 낮은 에
지의 경우 인공 으로 만들어진 에돌이발(grating)을 단결정
신 사용하게 되는데 선 도(line density)가 1800 lines/ mm의 에돌이발을 이용할 경우 최고 2 keV를 기 으로 강
X-선과 연 X-선으로 구별하나 명확한 구분이 있는 것은 아
니다.연 X-선의 경우 좋은 에 지 분해능(resolving power: ΔE/E)
을 이용하여 반도체 디바이스, 분자흡착, 속/ 속간의 계
면, 표면자성 등 다양한 시스템의 자구조에 한 연구를
해 자 분 학을 이용한 실험기법들이 발달하 다. 한편, 자성반도체, 나노물질, 다층 박막 물질 등 계면을 이용한 물
질과 같은 신소재의 등장으로 X-선 산란(X-ray scattering) 실험기법을 연 X-선 역에 확장한 연 X-선 산란실험이나 경
X-선을 이용한 핵심부(core level) 자분 실험을 이용한
실험기법들이 필요하게 됨으로써 연 X선과 경 X선으로의
통 구분은 의미가 많이 어들었다.최근에 건설되고 있는 가속기는 부분 형 가속기 (1.5 ~
3 GeV)들로 연 X-선과 경 X-선 모두 하게 이용하도록
설계되어 있음을 알 수 있다. 포항 방사 가속기의 경우도
마찬가지로 두 분야의 다양한 실험기법들이 고르게 설치되어
여러 분야의 이용자들에게 다양한 실험설비를 제공하고 있다.연 X-선 분야의 경우 자 분 학 이외에도 연 X-선 흡
수 스펙트럼(Soft X-ray Absorption Spectroscopy: XAS)와
X-선 자기 원형편 이색성(X-ray Magnetic Circular Dichroism, XMCD) 등과 같이 방사 밝기와 에 지 가변성을 이용한
실험기법들을 이용하는 다양한 연구가 진행 이다. 서두에
어 놓았듯이 포항가속기연구소도 더 강한 빔(brightness), 더 좋은 분해능(higher resolution), 극 온 실험(lower tem-perature) 등의 질 높은 실험환경개선을 해 계속 으로 노
력하고 있다.[김봉수, 이한길]
자성분광학
방사 을 이용하여 자성 물질을 연구하는 자성분 학 분야
는 3세 방사 가속기가 등장하고 원의 획기 인 성능향
상이 이루어진 다음에야 비약 인 발 이 시작되었는데, 그
이유는 자성물질을 연구하기 해서는 원의 편 을 자유롭
게 조 할 수 있어야 한다는 조건과 더불어, 빛과 자기 모멘
트 사이의 상호작용이 빛과 하간의 상호 작용보다 훨씬 작
아서 고휘도의 원이 필수 이었기 때문이다. 이 게 짧은
역사와 함께 그 실험방법과 해석의 난해함 등으로 인해 자성
분 학 분야는 지 까지도 여러 가지의 방법론이 제안되고
검증되는 과정이 계속되고 있으며, 그 에서 방법론이 비교
잘 정립되어 리 이용되고 있는 실험 방법으로는 X-선
자기 원형편 이색성(X-ray Magnetic Circular Dichroism, XMCD) 실험, 편 별 X-선 흡수(polarization dependent X-ray absorption spectrum) 실험 그리고, 스핀분해 자
분 법(Spin-resolved photoemission spectroscopy, SRPES) 등이 있다. 이 에서도 특히 XMCD의 경우는 최근 개발된
신자성 물질들의 자성 연구에 결정 인 데이터를 제공하는
경우가 많아서, 세계의 여러 3세 가속기에 이 실험을
한 빔라인들이 1990년 말 이후에 격히 증가하 다. XMCD는 조사되는 원형 편 X-선의 나선 방향과 시료내의
자기 모멘트의 자화 방향의 차이에 따라서 X-선 흡수율에 차
이가 생기는 상을 측정하는 것으로 통 인 자기 측정 방
법인 VSM(vibrating sample magnetometry), SQUID(super- conducting quantum interference device), MOKE (magneto- optical Kerr effect) 등과 비교할 때, 크게 두 가지 장 이
있다. 그 하나는 XMCD가 기본 으로 X-선의 흡수선을
이용하는 것이기 때문에 시료가 여러 가지 원소의 화합물이
거나 구조물일 경우 각각의 원소에 한 자성을 분리해서 측
정하는 것이 가능하여, 각각의 원소들이 체 시료의 자성에
어떤 식으로 기여하는지를 밝 낼 수 있다는 것이다. 다
른 장 은 자기 모멘트의 두 가지 기본성분인 스핀 자기 모
멘트와 오비탈 자기 모멘트를 따로따로 분리해 낼 수 있어서
결정구조 표면, 계면과 자기 이방성 간의 계를 규명하는
데 유용하다는 것이다. 한편 최근 들어서는 이러한 XMCD 측정 방법의 지속 인 발 과 함께 연 X-선 자기 공명 산란
(soft X-ray resonant magnetic scattering, SXRMS) 실험이
세계의 여러 빔라인에서 경쟁 으로 시도되기 시작하 는
데, 이것은 연 X-선 역 (400 eV ~ 2000 eV)에 자성물질의
부분을 이루는 3d 이원소와 4f 희토류 원소의 가장 요
한 흡수선이 모두 존재할 뿐만 아니라, 한 그 장의 크기
가 망간화합물 다강체의 스핀 오비탈 정렬의 주기와
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그림 2. SXRMS 장치의 사진 및 3차원 도면. ①,② 시료 및 검출기 회전
을 위한 차등 펌핑 회전기, ③ 정렬을 위한 슬릿, ④,⑤ 시료 및 검출기
박스, ⑥,⑦ 전자석 및 회전 장치
그림 3. LaSr2Mn2O7에서 반강자성 정렬을 하는 망간의 스펙트럼을
SXRMS를 이용하여 측정한 결과.
유사하여, 고체 내에서의 자기 모멘트의 정렬을 좀 더 직
으로 측정하는 것이 가능하기 때문이다. 뿐만 아니라 자성 다
층 박막이나, 나노 배열 같은 격자 인공구조물의 경우에
도 그 격자 크기가 수 나노미터에서 수십 나노미터로 연 X-선의 장과 일치하기 때문에 이러한 분야에서도 SXRMS를
이용한 연구의 요성이 더 부각되고 있다.포항 방사 가속기에서의 자성 분 학은 1998년에 서울
물리학과 오세정 교수에 의해 주도된 장기 발 계획에
서부터 태동되기 시작하여, 2003년 말에 편 을 마음 로 조
할 수 있는 EPU(Elliptically Polarized Undulator) 빔라인
이 완공되면서 본격 인 발 을 시작하 다. 비록 다른 나라
에 비해 그 출발이 10년 이상 뒤쳐지긴 하 지만, 가속기 연
구소와 포항공 물리학과의 인 , 물질 투자를 바탕으로
단기간 내에 SRPES XMCD 장치를 개발하고 지속 인
업그 이드를 통해 세계 인 성능을 가진 빔라인으로 성장하
다. 한 이러한 성능을 바탕으로 최근 몇 년간 자성 나노
입자, 다강체, 희박 자성 반도체, 자성 박막 등에 한 자성분
법 측정을 수행하여 그 연구 결과들을 물리, 재료 화학
분야에서 가장 권 있는 들 부분에 출 하는 성과를
거두었다. 그리고 2006년에는 자성분 학 분야에서 가장 치
열한 경쟁이 벌어지고 있는 SXRMS 장치 개발을 완료하고, 2007년에 이를 이용하여 다강체를 연구한 결과를 Physical Review Letters에 출 함으로써 이러한 경쟁을 선도해 나가
기 시작하 다.그림 2는 EPU 자성분 학 빔라인에서 개발한 SXRMS 장
치의 사진인데, 이 장치는 기본 으로 X-선 회 분석(X-ray diffraction, XRD) 장치를 연 X-선을 이용하기 해 고진
공에서 구 한 것으로 이해될 수 있다. 다른 나라에서 개발된
것과 비교하면 상당히 작고 단순한 형태로 개발되어 진공도
와 온 성능이 뛰어나다.그림 3은 이 장치를 이용하여 층 페로 스카이트 물질인
LaSr2Mn2O7의 반강자성 스핀 정렬을 측정한 실험 결과로서
망간의 가 자 상태에 따른 스핀 정렬의 차이를 명백하게 보
여주고 있다. 재 포항 가속기의 자성분 학 빔라인에서는 거 자기
항 물질, 자성반도체, 자성합 , 자기 항 다층박막, 이
속과 반도체 간의 스핀 입사 계면 등 자성 연구에서 주요한
이슈가 되고 있는 거의 모든 분야에 해서 여러 가지 실험이
진행되고 있을 뿐만 아니라, 새로운 자성 분 학 실험에 한
여러 가지 시도들이 병행되고 있다. 한, 아직 자성 분 학
빔라인이 하나 밖에 없고, 국내 자성 물질 연구그룹들의 자성
분 학 활용이 외국에 비해 상당히 낮은 상태에 있기 때문에
이 분야는 당분간 지속 인 발 이 계속될 것으로 기 된다.[김재영]
광전자 분광학
자 분 실험은 아인슈타인의 효과를 이용한 것으
로, 조사하려는 물질의 일함수보다 더 큰 에 지를 갖는 빛을
물질에 쏘일 때 방출되는 자의 개수를 측정하는 것으로, 이 자의 양자상태, 즉 에 지, 운동량, 스핀 등을 함께 측
정함으로써 다양한 종류의 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이들 양
자상태의 보존법칙으로부터 물질 안에 생성된 자구멍의 양
자상태를 알 수 있어서, 자 분 기법은 물질 안에서
자가 어떠한 양자상태에 존재하는지를 악할 수 있는 강력
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그림 4. Ge(100) 표면 위의 티오펜(thiophene) 분자의 고에너지 분해능
S 2p 광전자 분광 스펙트럼. (a) 25 L. (b) 50 L. (c) 100 L.
참고문헌
[1] A. Damascelli, Z. Hussain, and Z.-X. Shen, Rev. Mod. Phys.
75, 473 (2003).
[2] D. P. Woodruff, Surf. Sci. Rep. 62, 1 (2007).
[3] S. M. Jeon et al., J. Am. Chem. Soc. 128, 6296 (2006).
한 도구가 된다. 자의 에 지 측정을 기본으로 하고 그
운동량에 한 정보를 추가한 것을 각분해 자 분 , 스핀
에 한 것을 스핀분해 자 분 이라 부른다. 1950년 에
고진공 기술의 발달과 더불어 시작된 자 분 학은
1990년 를 거치면서 자 측정 장비의 부신 발 에 힘입
어 에 지 운동량 분해능이 자와 련된 고체의 물리
성질을 직 이해할 수 있는 정도에까지 이르 다.[1] 특히, 자의 물질 안에서의 평균자유거리가 매우 짧은 것을 이용하
여, 시료 표면의 물리 화학 상태를 연구하는 데에는 필수
인 도구가 되었다.자 분 에 사용되는 원으로는 일반 실험실에서 사용
할 수 있는 이 , 자외선램 , X-선 튜 등과 규모 설비
인 방사 이 있다. 여타 원과 달리 방사 이 갖는 최 의 장
은 빛에 지를 연속 으로 변화시킬 수 있는 것으로 빛에
지에 따른 이온화 단면 자의 운동에 지의 변화를
이용한 실험들을 수행할 수 있고, 각종의 언듈 이터를 사용하
여 빛의 휘도를 증폭시키고 빛의 편 을 조 할 수 있다. 포항
방사 가속기에는 자 분 실험을 수행할 수 있는 7기의
빔라인이 있어서 일반 인 자 분 실험을 수행하는 것
외에도 특정한 종류의 시료나 실험조건들에 문화된 실험 장
비들을 갖고 있다. 원이 특화된 빔라인은 모두 언듈 이터를
사용하는데, 타원편 원을 갖고 있고 스핀분해 분 실험을
할 수 있는 2A, 공간 분해능 10×10 µm2를 가지고 각분해 분
실험을 할 수 있는 3A1, 공간 분해능 0.5×0.5 µm2를 가
진 자 분 미경이 장착된 8A1 빔라인 등이 있다.자 분 학은 방출된 자의 기원에 따라 크게 내각
(core level) 분 과 원자가 자(valence electron) 분 으로
나뉠 수 있다. 내각 분 은 X-선을 원으로 높은 속박
에 지를 갖는 내각 자의 스펙트럼을 얻는 것으로, 시
료를 구성하고 있는 원소에 따라 내각 의 속박 에 지가
다르고, 그 원소가 놓인 화학 환경에 따라 다른 속박 에 지
를 갖게 되므로, 시료의 성분 분석 구성 원소의 화학 상
태를 조사할 수 있는 유용한 도구다. 일반 실험실의 X-선 튜
는 단색화 장치를 사용하더라도 에 지 분해능이 수백 meV에
머무르며, 이온화 단면 이 상 으로 큰 높은 속박 에 지
를 가진 내각 를 주로 조사하는데, 그 자연 선폭이 매우
크기 때문에, 좋은 에 지 분해능을 가지고 그 화학 상태를
조사하기 어려운 경우가 많다. 반면, 방사 을 원으로 사용
하면, 보고자 하는 내각 의 이온화 단면 에 지 분
해능을 최 화하여 내각 의 미세한 에 지 차이를 분석함
으로써 물질 안의 원소가 갖는 화학 상태에 한 유용한 정
보를 얻을 수 있다. 내각 의 화학 이동 외에도 내각
스펙트럼의 세기가 자의 회 에 의해 자의 에 지
와 방출 각도에 따라 변화하는 것을 분석하면 각각의 화학
상태에 해당하는 이온의 공간 구조도 악할 수 있다.[2]
그림 4는 고에 지 분해능 내각 스펙트럼의 한 로, Ge(100) 표면에 티오펜(thiophene: C4H4S) 분자를 흡착시켰
을 때 S 2p 내각 스펙트럼을 측정한 것이다.[3] 티오펜
조사량에 따른 각각의 화학 이동 피크들을 분석함으로써, 주사 터 링 미경과 같이 구조를 악할 수 있는 실험 기
법들과 함께 티오펜 분자들이 Ge(100) 표면에 어떠한 방식으
로 결합하는지를 악하는 데 큰 도움을 다.원자가 자 분 은 에 지 분해능이 높은 자외선을 이용하
여 원자가 자의 에 지띠를 측정하는 것으로, 다결정 시료의
경우에는 자의 상태 도(density of states: DOS)를 직
측정할 수 있고, 단결정 시료의 경우에는 방출된 자의 각
도를 측정함으로써 운동량에 따른 자의 에 지띠 구조를 측
정할 수 있어서, 제일 원리에 의한 에 지띠 이론 계산과의 비
교를 통해 물질의 자구조를 악하는 강력한 도구가 된다. 특히, 에 지를 바꿀 수 있는 방사 을 사용하면, 쿠퍼 최소
상이나 공명 자 분 과 같이 에 지에 따른 이온화
단면 의 변화가 극심한 상을 이용하여 원소나 자 오비탈
에 따른 부분 상태 도(partial DOS)도 측정할 수 있다. 한, 3차원 물질의 경우에는 방출되는 자의 각도만이 아니
라 자의 운동에 지도 변화시켜야 3차원 운동량 공간을
모두 조사할 수 있기 때문에, 물질의 자구조를 완벽히 이해
하기 해서는 방사 이용이 필수 이라 할 수 있다.
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그림 5. (a) Eu0.8La0.2B6의 페르미 면 (hν = 130 eV). (b) (a)의 녹색선을
따라 측정한 페르미 준위 근처의 각분해 광전자 분광 스펙트럼. (c) 넓은
에너지 영역에서의 스펙트럼.
그림 6. fcc-Co(100) 표면 위에 성장된 Cu 양자우물 상태의 박막 두께에
따른 각분해 광전자 분광 스펙트럼 (hν = 83 eV).
참고문헌
[4] http://www.gammadata.se/scienta/default.asp?SL1=6&SL2=1
&pageId=158.
[5] C.-H. Min et al., unpublished.
[6] R. K. Kawakami et al., Nature 398, 132 (1999).
[7] W. Kim et al., unpublished.
1990년 이 에는 각분해 자 분 실험을 하기 해
특정한 각도의 자만 검출기로 가도록 해야 했기 때문에 실
제 자 분석기가 받아들일 수 있는 자들을 버려야 했으나, 1990년 반에 이르러 시료에서 자가 방출될 때의 각도
를 보존할 수 있는 자 즈 시스템이 개발되고, 마이크로
채 과 디지털 CCD 카메라를 통해 검출기에 도달한 자
의 개수 공간 분포를 실시간으로 측정할 수 있게 됨에 따
라 각분해 자 분 실험의 효율은 “양자비약”을 이루게
되었다.[4] 한, 각도 분해능이 0.05°에까지 이르러, 이 에는
40 eV 이하의 자외선 역에서 주로 행해지던 실험들이 연
X-선 역에서도 양질의 스펙트럼을 얻는 게 가능 되었다. 특히 높은 에 지에서는 상 으로 작은 역의 각도에
해 스펙트럼을 얻어도 릴루앙 역을 모두 조사할 수 있어
서 짧은 시간 안에 에 지띠 구조를 악할 수 있다는 장
이 있어 이 에는 2차원 물질이나 표면에 해서만 이루
어지던 각분해 자 분 실험이 3차원 물질에 해서도
이루어지고 있다.각분해 자 분 의 요한 응용으로 페르미 면 측정을
들 수 있다. 자의 운동에 지를 페르미 에 해당하는
에 지에 고정하고 자의 방출 각도에 한 스펙트럼을
얻으면 속의 물리 성질을 결정하는 데에 요한 역할을
하는 페르미 면(Fermi surface)을 측정할 수 있다. 특히, 페르미면을 측정하는 강력한 도구인 드 하스-반 알펜 측정은 시
료의 온도가 매우 낮아야 하고 단결정 시료의 순도가 매우
높아야 한다는 결 이 있으나, 각분해 자 분 의 페르미
면 측정은 온도와 무 하고, 시료에 포함된 불순물의 양이 물
성을 바꿀 만큼 많지 않으면 스펙트럼에 불순물에 의한 것이
나타나지 않기 때문에 드 하스-반 알펜 측정을 체할 수 있
는 강력한 방법이 된다. 그림 5(a)는 각분해 자 분 스
펙트럼의 한 로, Eu0.8La0.2B6의 페르미면을 측정한 것이
다.[5] Eu0.8La0.2B6는 반 속인 EuB6에 La을 도핑하여 자
의 농도를 증가시킨 것으로, 릴루앙 역의 X 을 심으
로 페르미 면(이미지의 밝은 부분)이 형성된 것을 볼 수 있고, 그림 5(b)의 각분해 자 분 스펙트럼의 에 지띠의 분산
을 보면 페르미면이 자 포켓임을 알 수 있다.매우 좋은 공간 분해능을 가지고 각분해 자 분 실험
을 할 수 있는 경우에는 기 모양의 박막을 실험 장비 안에
서 직 길러 다양한 두께의 박막이나 다양한 조성의 합
박막을 일 측정할 수 있는 장 이 있다.[6] 그림 6이 그 로 fcc-Co(100) 표면 에 Cu 양자우물 박
막을 기른 뒤, 표면에 수직인 방향에 해 각분해 자 분
스펙트럼을 얻어 Cu 박막 두께에 따라 그 스펙트럼을 보
인 것이다.[7] 밝게 빛나는 들이 양자크기효과에 의해 불연
속 인 속박에 지를 갖는 양자우물 상태에 해당하는 것으로, 양자우물 박막이 잘 성장된 것을 확인할 수 있다.
[김형도]
물리학과 첨단기술 January/February 2008 14
그림 7. 팬타센 결정의 탄소 K껍질 부근에서 얻은 흡수분광 그래프이다.
내각준위의 전자가 이온화 에너지 이상의 연속준위로 여기되기 시작하는
지점이 스텝함수로 표시되어 있다. 위쪽 그래프는 스텝함수 모양의 배경
신호를 뺀 후 얻은 그래프로 내각 준위와 Rydberg 준위의 곱으로 설명할
수 있다.
그림 8. (a), (b)는 각각 깨끗한 금 표면과 벤젠싸이올(benzenethiol)이 흡
착된 금 표면에 흡착된 팬타센 분자의 방위각 쌍색성을 보여준다. 두 표
면에서 분자의 좌표가 역전되었음을 알 수 있다. SiOx 및 금 표면에 흡착
된 팬타센 박막에 대한 SEM(secondary electron microscopy) 사진 (c)
과 벤젠싸이올이 흡착된 SiOx 및 금 표면에 흡착된 팬타센 박막에 대한
SEM 사진(d).
연 X-선 흡수분광 기법
흡수분 은 시료에 입사된 자와 고체 시료내의 자 사이의
상호작용 세기를 도식화함으로써 고체 시료의 원자 자구조
에 한 정보를 구체 으로 얻을 수 있는 아주 강력한 실험기법
이다. 크게 사용하는 에 지에 따라서 EXAFS(extended X-ray absorption fine structure), XANES(X-ray absorption near edge structure) 는 NEXAFS(near edge X-ray absorption fine structure)로 나뉘어지는데 단순한 구분에 더하여 그 원
리 한 엄격히 구분된다.흡수 분 법에서 가장 기본 으로 에 지 보존 법칙을 생
각해야 한다. 자의 기 상태(채워진 자 궤도, 주로 내각
)와 여기될 상태(비워진 자 궤도, Rydberg 는
연속 )의 에 지 차는 자의 에 지와 동일해야 한다. 만일 흡수분 실험을 행하기 에 여기 자 분 법 실험을
거쳤다면 자의 기 상태에 한 정보를 이미 알고 있다. 여기 자분 법에서 자는 주로 구조가 없는 연속 로
여기 되기 때문이다. 완 히 비어 있는 궤도의 구조 정보를
알려면 스텝함수(step function)로 주어지는 이온화 를
그래 에서 빼주어야 한다. 주로 낮은 원자번호를 가지는 시
료에서 선택법칙(selection rule)을 생각하지 않으면 간단히
비워진 궤도에 한 정보를 얻을 수 있게 된다.흡수분 분석에서 에 지 보존 법칙 외에 엄격히 고려되
어야 하는 것이 운동량 보존이다. 이는 자의 편 방향과
기 자의 운동량의 벡터 곱으로 주어지는데 이는 분자궤도
의 공간 분포를 결정하는데 매우 요하게 이용되어진다. 이러한 성질은 자의 편 방향에 해 흡수분 그래 가 변
하게 되는 결과를 가져오는데 이러한 변화를 이색성(dichroism)이라고 한다. 유기물 분자에서 공간 분포가 잘 알려져 있는
π*나 σ* 자 궤도의 세기를 자의 입사각에 하여 추 하
면 유기물 결정에서 분자들의 좌표를 결정할 수 있다. 즉, 분자의 긴 축 방향에 한 이색성과 2차원 표면에서 방 각
(azimuthal)에 한 이색성은 유기 분자의 좌표를 정확하게
결정해 다. 한 자기 물질에서 스핀에 의한 자기 모멘트와
자 궤도에 의한 자기 모멘트에 의한 자기 이색성을 분석함
으로써 물질 내에서의 스핀 자 궤도에 한 정보를 얻
을 수 있다. 그림 7은 팬타센(pentacene) 결정 시료를 이용하여 탄소 K
흡수 끝머리 부근에서 측정한 그래 이다. 탄소 1s 에 있
던 자가 리드베르그(Rydberg) 로 여기된 상세 피크들
이 288 eV 이하에서 보인다. 288 eV는 이온화 에 지로 표
시되어 있으며 이온화 에 지 이상의 자에 지에서는 자
들이 연속에 지 궤도로 여기된다. 이는 아래쪽 그래 에 표
물리학과 첨단기술 January/February 2008 15
그림 9. 탄소 (284 eV), 산소(543 eV) 흡수단 사이에서의 연 X-선과 전
자의 투과 거리 비교.
참고문헌
[8] Kyuwook Ihm et al., Appl. Phys. Lett. 89, 033504 (2006).
[9] H. Agren, O. Vahtras, V. Carravetta, Chem. Phys. 196, 47
(1995).
시된 바와 같이 스텝함수로 표 할 수 있다.그림 8에서는 팬타센 결정의 방 각(polar angle) 이색성을
보여 다. 팬타센 분자는 많은 수의 π* 궤도를 지니고 있으며
이 궤도들 간의 상호작용(coupling)을 통해서 자가 비 편재
화되어 있는 매우 망되는 유기물 소재이다. π* 궤도는 벡터
형태로 근사할 때 간단하게 분자의 방 각 좌표를 구할 수
있다. 그림 8(a), (b)는 팬타센 분자가 서로 다르게 처리된
표면에서 완 히 서로 다른 방 각을 가지게 됨을 분명히 보
여 다.[8]
최근 력, 고효율 낮은 공정비용 등의 엄청난 장
을 지닌 유기물 소재 기반 소자 개발 경쟁이 가속화되면서
이들 소재에 한 기 물성연구가 활발히 진행되고 있다. 유기물 분자결정에서 분자들은 매우 작은 분자 간 상호작용을
하며 따라서 매우 작은 밴드 폭을 지닌다. 그럼에도 불구하고
높은 도성을 나타내는 것은 모두 자들의 건 뛰기
(hopping) 비율이 매우 높기 때문이다. 이러한 특징을 매우
다양하고 깊이 있게 분석할 수 있는 실험 기법으로 연X-선
흡수 분 법이 주목받고 있다. 이러한 주목의 심에 유기물
분자를 망받는 물질이 되게 해 π* 궤도가 있다. 흡수분
은 π* 궤도에 매우 민감하기 때문에 궤도간 상호작용을 간단
한 섭동 이론(perturbation theory)으로 쉽게 분석할 수 있으
며 유기물 소재에서 요한 폴라론(polaron), 여기자(exciton) 등 유사입자(dressed particle)의 행동을 추 할 수 있게 해
다.[9]
[임규욱]
연 X-선 현미경법, 극자외선/연 X-선을 이용한
나노패터닝 연구 동향
1. 연 X-선 현미경법에 대한 연구 동향
(1) 연 X-선 미경 소개
연 X-선 미경은 연 X-선 역의 자기 를 이용하여 아
주 작은 물체의 상을 얻어내는 장치이다. 가시 과는 달리, 연 X-선은 쉽게 반사되거나 굴 되지 않으며 인간의 에 보
이지 않는다. 따라서 시료를 투과한 연 X-선을 검출하기 해
필름, CCD(charge-coupled device), MCP(micro channel plate) 등을 사용한다. 이 기법은 물의 창(water window between the K edges of carbon and oxygen: 2.3 ~ 4.4 nm or 0.28 ~ 0.53 eV) 역에서 단백질, 세포 등 유기물과 물 사이에 극명한
연 X-선 흡수차를 보이며 (그림 9) 따라서 보다 자연 환경에서의
유기물에 한 뚜렷한 명암 비 상을 보여 다. 연 X-선 미경 법에는 빔을 집속한 후 시료를 주사하는
방식을 사용하는 직렬식(serial) 방식과 한 번에 체 상을 측
정하는(full field imaging) 방식 두 가지가 존재한다. 빔 집속
을 해 기에는 Kirkpatrick & Baez 거울을 이용하여 연
X-선을 집속하 으나 최근에는 실리콘 질화막 에 형성된
이나 니 등의 링으로 구성된 Fresnel zone plate를 이용
하여 집속한다. 이 장치는 주로 자빔 리소그래피를 기반으
로 한 나노기술을 이용하여 제작하며 상 으로 이 기술이
우수한 미국에서 연 X-선 미경 기술이 발달하여 왔다. 연
X-선 원으로는 부분 휘도 등의 특성이 우수한 방사 을
사용하기 때문에 ALS(Advanced Light Source)나 NSLS (National Synchrotron Light Source) 등 미국의 방사 시
설을 심으로 발달하 다. 방사 으로부터 나오는 연 X-선을
집속 즈를 이용하여 집속하고 시료를 주사하면서 튀어나오
는 자를 검출하거나(SPEM: scanning photoelectron microscopy), 투과된 빛을 검출(STXM: scanning trans-mission X-ray microscopy)하여 시료의 상을 얻게 된다. (그림 10 참조). SPEM의 경우 공간분해능이 상 으로 STXM에 비해 좋지 않으나, 강 자 분 학을 목함으로써 표면
련 연구에; 특히 heterogeneous한 시료 연구에, 유용하다. STXM은 Stony Brook University에서 처음 개발되어 BNL (Brookhaven National Laboratory)의 NSLS에 설치/발 되었
다. 이후, 미국의 ALS, 캐나다의 CLS(Canadian Light Source) 등으로 확산되었으며 최근에 건설을 계획하고 있는 미국의
NSLS2, 국의 Diamond Light Source, 국의 Shanghai Light Source 등에서 최우선 으로 검토되고 있는 발 가능
성이 높은 미경 기법이다. Zone plate 집속 기술이 이미
물리학과 첨단기술 January/February 2008 16
그림 10. SPEM, STXM, XM의 개략도 (가속기 신현준 박사 그림 제공).
그림 11. 얼려져 있는 효모의 XM 및 재건축(reconstruction) 상. 막대는
1 μm를 나타냄.[10]
그림 12. Lensless FTH의 기본 원리. Real space의 reference hole과
object의 transmission function tr과 to는 Fraunfofer 회절에 의해 홀로그
램을 만들고 Fourier transform을 통해 object의 영상을 reconstruction한
다. ⋆는 complex correlation이다.
참고문헌
[10] C. A. Larabell & M. A. Le Gros, Molecular Biology of the
Cell 15(3), 956-962 (2004).
[11] G.W. Stroke, Appl. Phys. Lett. 6, 201 (1965).
[12] S. Aoki, Y. Ichihara, and S. Kikuta, Jpn. J. Appl. Phys.
11(12), 1857 (1972).
[13] S. Eisebitt, J. Lüning, W. F. Schlotter, M. Lörgen, O. Hellwig,
W. Eberhardt, and J. Stöhr, Nature 432, 885 (2004).
15 nm에 다다랐으므로 향후 10 nm 이하의 공간분해능을
갖는 STXM이 출 할 날도 멀지 않았다고 추정된다. 지 까
지 언 한 집속된 빔을 이용한 미경 기술과 함께 full field imaging 기법도 동시에 개발되어 왔다. LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 CXRO(Center for X-ray Optics)는 ALS에 XM-1을 설치하여 바이오 연구에 활용하고
있다. 그림 11은 XM-1을 이용하여 측정된 세포의 단층촬
상(tomography) 결과를 보여 다.[10]
이를 기반으로 설립된 NCXT(National Center for X-ray Tomography)에서는 세포의 3차원 단층촬 용 XM-2 장치
건설에 착수, 2007년에 완공하 다. 이러한 XM은 그림 10에서 보여주듯이 zone plate를 물 즈로 활용한다는데 그 특징
이 있다. 이 밖에 Stony Brook이나 Stanford University 등에서
는 홀로그램 기법을 이용한 미경 기술을 개발 이다. 아래에
는 Stanford에서 개발되고 있는 Lensless Fourier Transform Holography(FTH)에 하여 간략히 소개하고자 한다.
(2) Lensless Fourier Transform Holography방사 연 X-선을 이용한 미경 기법 에서 보편화되어있지
는 않으나 4세 가속기 Free Electron Laser(FEL)의 개발과
더불어 주요한 기법이 될 수 있는 Lensless Fourier Transform
Holography(FTH)는 결맞음 연 X-선 산란(coherence X-ray scattering)이나 speckle과 같은 맥락이다. 독일의 Bessy와
미국의 SSRL 3세 가속장치에 설치되어 운 되고 있는 이
실험 장치는 최근 50 nm의 공간분해능을 보 으며 향후 20 nm의 공간분해능을 얻기 해서 노력 에 있다.
Fourier Transform Holography의 기본 원리는 1950년부터 개발되어 왔다. 특히 이 를 이용한 FTH는 상당히 발
했으며 1965년 Stroke는 학장치가 없는 lensless FTH 기법을 제안하 다.[11] 1972년 Aoki 등은 장이 6.0 nm의
방사 을 이용하여 lensless FTH를 구 하 다.[12] 그 후 진
공용 CCD 카메라 개발과 연산 능력 향상과 더불어 FTH기법
은 더욱 발 하여 1992년 McNulty 등은 장 3.4 nm 방사
으로 60 nm 공간분해능을 얻는데 성공하 다. 2004년에
는 S. Eisebitt 등이 나노구조를 갖는 자성물질시료를 이용해
물리학과 첨단기술 January/February 2008 17
그림 13. Coherent beam과 magnet worm domain의 영상을 얻기 위
한 실험 장치의 layout. 확대한 원의 사진은 STXM으로 얻은 영상이다.
그림 14. Lensless FTH와 STXM으로 얻은 영상의 비교. Line profile은
두 영상이 공히 비슷한 50 nm의 공간 분해능을 보여준다.
그림 15. 독일의 FLASH soft x-ray FEL에서 coherent soft x-ray
scattering으로 얻은 영상. a)는 실험장치 setup, b)는 hologram, c)는
reconstruction된 영상을 보여준다.
참고문헌
[14] S. B. Choe and S. C. Shin, Phys. Rev. B 59(1), 142 (1999).
[15] W. F. Schlotter et al., Appl. Phys. Lett. 89, 163112 (2006).
서 50 nm의 공간분해능을 보여주었다.[13]
그림 12는 lensless FTH의 기본 구성을 보여 다. 결맞음
(coherence) 성질이 우수한 원을 만들어서 실공간(real space)의 reference hole과 object hole로부터 생긴 Fraunhofer 회을 CCD camera로 기록한 후 이를 Fourier transform의 연
산과정을 통해서 실공간의 상을 얻을 수 있는 것이 lensless FTH의 기본 원리이다. Fourier transform으로 얻어진 상
에서 앙 부분의 상은 reference와 object (r⋆r, o⋆o)에
의해서 만들어진 self correlation이고 좌상과 우하에 있는
상은 각각 cross correlation (r⋆o, o⋆r)에 의한 상이다. reference hole은 공간분해능과 상의 contrast에 직 인
향을 다. 공간분해능은 reference hole이 작으면 작을수
록 공간분해능이 좋아진다. 이론 으로 hole 직경의 70% 정도 되어 100 nm 크기의 hole을 제작하면 약 70 nm의 공간
분해능을 얻을 수 있다.시료는 SiN 층(100 nm)의 한쪽 면에 제작을 하고 반 편
에는 Au(600 nm)를 증착한 다음 Focused Ion Beam (FIB)
를 이용하여 hole(직경 1500 nm)을 제작하게 된다. 한편
reference hole(100 nm)은 SiN층까지 통하는 모양으로 제
작한다. S. Eisebitt 등은 나노 구조를 갖도록 자성 물질을
여러 층으로 제작하여 자성 domain 산란에 의한 회 패턴
을 얻은 다음 Fourier transform으로 실공간의 나노구조의
모양을 얻었다. Co(0.4 nm) / Pt(0.7 nm) 두층을 50층 제작
하게 되면 domain 방향은 평면에 수직으로 형성된다.[14]
그림 13과 같은 조건으로 얻은 회 패턴을 Fourier trans-form으로 연산하여 얻은 실 상을 그림 14에 나타내었다. Zone plate를 사용하는 STXM(scanning transmission X-ray mi-croscopy)은 재 연 X-선을 이용한 microscopy 에서 공간
분해능이 좋은 장치이다. 같은 시료를 이용해서 STXM으로 얻
은 상과 FTH로 얻은 상의 비교와 공간분해능을 비교한
내용을 그림 14 하단의 그래 에 보여 다. STXM이나 FTH으로 얻은 두 상은 비슷한 50 nm의 공간 분해능을 얻었다.
Lensless FTH는 Full field microscopy이다. 비교 다른
STXM 등의 microscopy에 비해서 간단한 장치와 다른 특별
한 학장치가 없이도 고 분해능의 상을 얻을 수 있다. 한 원의 세기가 낮은 조건에서도 상을 얻는 것이 가능하
도록 기술을 개발하고 있고 field of view도 확장할 수 있도
록 노력하고 있다.[15]
그러나 특별한 FTH의 주요 장 은 4세 원에 합한
microscopy 장치로 활용을 할 수 있는 것이다. Zone plate와 같은 학장치가 없어도 single shot 상이 가능하고 이
는 수 펨토 에 이루어지는 상을 보는 좋은 장치가 될 것
물리학과 첨단기술 January/February 2008 18
그림 16. EUV-IL 개략도.
그림 17. EUV-IL로 제작된 주기적인 선, 점 패턴.
그림 18. 극자외선 간섭 리소그래피를 이용하여 패터닝된 틀(template)
위에 성장된 diblock copolymer의 주기적인 패턴. A-B 형태를 가지는
diblock copolymer는 서로 다른 특성의 block copolymer A와 B가 체
인의 형태로 하나의 분자를 구성하는 구조를 가지고 있다. 기판에 주기
적으로 정렬된 (A-B-.....A-B) diblock copolymer 박막은 A 혹은 B 한
쪽 영역에만 선택적으로 결합되는 물질을 흡착시킴으로써 나노선 등의
나노 구조물을 제작하는 틀(template)로 사용될 수 있다. 먼저 기판 위
에 diblock copolymer 분자 길이만큼의 선폭을 가지는 나노 패턴을 제
작한 후, 이 표면 패턴에 폴리머가 자발적으로 A-B-A-B- 구조로 정렬
되도록 유도함으로써 넓은 영역에 결함이 없는 diblock copolymer 나노
패턴이 제작될 수 있음을 보고함.
참고문헌
[16] H. N. Chapman et al., Nat. Phys. 2, 839 (2006).
[17] D. Normile, Science 293, 787 (2001).
으로 기 하고 있다. 독일 함부르크의 FLASH 연 X-선 FEL을 이용하여 coherence 연 X-선 산란 실험을 수행하여 가능
성을 확인하 다.[16]
그림 15는 실험 장치와 결과를 보여주고 있다. 25펨토 의
짧은 순간에 시료에 조사된 강한 pulse는 시료가 훼손되기
에 신호를 CCD에 기록하여 Fourier transform으로 다시
실 상(real image)을 얻었다. 이는 FEL이 완벽한 결맞음
원을 만들었으며 펨토 역의 동역학 실험의 가능성을
보인 요한 결과라 하겠다.
2. 극자외선/연 X-선을 이용한 나노패터닝 연구 동향
무어의 법칙을 따라 시간이 지남에 따라 반도체 소자의 선
폭은 어들고 집 도는 높아지고 있다.[17]
최근에는 자외선 리소그래피를 통해 45나노미터 소자를
개발하는데 이르 다. 그러나 기존의 리소그래피 방법으로 이
보다 더 작은 나노 소자를 제작하려면 곧 한계에 부딪힐 것
으로 상되고 있다. 소자의 집 도를 높이고 나아가 크기가
더욱 작은 32나노미터 이하 나노 소자를 개발하기 해서
자빔 리소그래피(electron beam lithography), 나노 임 린
트 리소그래피(nano imprint lithography), 마이크로
린 (µ-contact printing), 주사 탐침 리소그래피(scanning probe lithography) 등 다양한 차세 리소그래피 기술이 개
발 에 있다. 이 에서 자외선 리소그래피를 체할 가장 유
력한 후보로 장이 더욱 짧은 극자외선(EUV) 원을 이용한
표면 패터닝 즉, 극자외선 리소그래피(extreme ultraviolet lithography: EUVL)가 손꼽히고 있다.
(1) EUVL vs EUV-ILEUVL은 13.5 nm의 극자외선을 이용하여 마스크의 상을
축소 투 시키는 리소그래피 기법이다. 이때, 자외선 리소그
래피처럼 빛의 굴 을 이용하는 것이 아니라 반사를 이용하
며, 다층박막으로 구성된 거울, 마스크를 사용한다. 학장치
의 설계에 따라 4:1. 10:1 등 축소율을 조 할 수 있다. 방사
은 휘도가 매우 우수한 극자외선을 발생시키므로 ALS에서
물리학과 첨단기술 January/February 2008 19
참고문헌
[18] S. O. Kim and P. F. Nealey, Nature 424, 411 (2003).
[19] Y. Shen et al., PRL 99, 043901 (2007).
는 MET(microexposure tool)라 불리는 EUVL 장치를 설치
운 하고 있으며 재 25 nm 패턴이 구 되었다. 이러한
EUVL 기법과는 달리 보다 간단한 set-up으로 분해능이 더욱
우수한 나노패턴을 제작할 수 있는 EUV-IL(EUV-interference lithography)이라는 방법이 있다 (그림 16 참조). 이 방법은
상호 결맞음이 있는 극자외선 간의 간섭 상을 이용하여 규
칙 인 , 선 등 패턴을 상 으로 넓은 역에 제작할 수
있는 방법이다 (그림 17 참조). 장치는 크게 극자외선 원, 거울 혹은 투과 그 이 (transmission grating), 지스트가
코 된 기 이 세 가지로 구성되어 있는 간단한 구조를 가
지고 있다. 간섭 상을 일으키기 해서는 결맞음성이 우수
하여야 하므로 장링 자빔의 에미턴스가 될 수 있으면 작
아야 하고 반드시 삽입장치인 언듈 이터 빔라인을 사용하여
야 한다. 이 듯 EUVL에 비해 보다 높은 사양의 원을 필
요로 하지만 제한 없는 심도, 마스크가 없는 간단한 구조
를 가지고 있어서 상 으로 복잡한 EUVL에 비해 구 하기
에 유리하고 분해능 면에서 우수한 측면을 가지고 있다. 실리
콘 에 등으로 코 된 반사 거울을 사용하는 방법과 투
과 그 이 을 이용하는 두 가지 방법이 있는데 최근에는 결
맞음성에 한 제약 조건이 은 투과형 그 이 을 활용하
는 경향이 강하다. 이 방법은 원래 이 를 이용한 IL 기법
에서 응용된 방법이다. 이 의 경우 장의 한계 때문에
100나노미터 이하의 패터닝은 구 할 수 없었다. Wisconsin의 Nealey 교수 그룹은 언듈 이터에서 나오는 방사 의 간
섭을 이용하여 20 nm 이하의 패터닝을 처음으로 보여주었으
며 이를 이용한 결과를 Nature(2003),[18] Science(2005) 등에 보고하 다.(그림 18) 그 이후, Paul Scherrer Institute에서는 Swiss Light Source에 보다 진일보된 EUV-IL 빔라
인을 건설하여 세계에서 가장 미세한 15나노미터 패터닝
결과들을 쏟아내고 있다. ALS의 MET 등과 같은 EUVL 장치
에 비해 분해능 면에서 월등히 우수하기 때문에 지스트 특
성 평가에 활용되거나 주기 인 패턴을 필요로 하는 결정
(photonic crystal), 자소자(memory, logic, display), 학
장치(plasmonic device, x-ray lens, x-ray spectrometer grating), 바이오소자 등 다양한 응용성을 가지고 있어서 공
정의 미세화를 해 필수 으로 개발되어야 할 신기술이라
여겨진다. 한, 학, 연구소의 기 연구에 활용하기에 충분
한 매력을 가지고 있어, 재 건설 인 상하이 가속기에서도
이러한 빔라인 건설을 계획하고 있다. 최근에는 홀로그램 기
법을 통해 임의의 패턴 제작 가능성이 연구되고 있어 앞으로
는 다양한 모양의 패터닝도 가능할 것이며 따라서 보다 넓은
응용성을 가질 것으로 망된다.[황찬국]
펨토초 테라헤르츠 분광기
(fs-FIR(THz) Spectroscopy)
자기 분 스펙트럼에서 테라헤르츠(THz)(1 THz≈33 cm-1
or 4 meV) 역은 외선(mid-infrared)과 고주 (microwave) 역 사이에 놓이는데, 테라헤르츠 원을 이용한 연구는 생물
학과 약학으로부터 화학, 물리학, 재료과학에 이르기까지 다양하
다. 최근에, 기존의 펨토 이 를 이용하여 발생시킨 테라헤르
츠 원의 한계를 극복하기 하여 가속기를 이용한 테라헤르츠
원의 발생에 한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 독일의
BESSY II와 DESY, 그리고 미국의 NSLS와 LBNL 등의 연구소
에서 선형가속기(Linac)나 장링(storage ring)을 이용한 테라
헤르츠 빔라인에 한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 한, 결맞음 방사(coherent radiation)를 사용하여 역(broad band)을 갖는 고출력 테라헤르츠 빔(high-power terahertz beam)을 발생시키는 연구가 진행되어지고 있다. 재 테라헤르
츠 빔은 공항 보안 검색에서부터 생물학 상(biological imaging)과 도체(superconductors)에 한 연구까지 다양
한 분야에서 응용이 시도되고 있다. 한 화학 반응에서와 같
은 비평형 과정(non-equilibrium processes)에서 일어나는 빠
른 변화를 기록하기 해서는 고속의 테라헤르츠 펄스가 필
요하다. 본 연구소에서도 펨토 테라헤르츠 빔을 이용한 분
학 인 방법을 사용하여 단백질 힘(Protein folding)과 DNA-단백질간 상호작용(DNA-Protein interaction), 화학 , 생물학 인
반응 동력학(Chemical and biological reaction dynamics) 등에 한 연구와 상(imaging) 기술 개발 등을 할 계획을 가지고
펨토 테라헤르츠 빔라인을 건설 이다.[19]
최근 몇 년간 펨토 의 상 론 자 뭉치(relativistic electron bunches)로부터 결맞은 THz 방사를 얻는 연구들이
활발히 진행되어 왔다. 이 결맞은 방사로부터 얻은 THz 펄스
의 에 지와 첨두 력(peak power), 첨두 기장(peak electric field)은 이 를 사용하여 스 치(photoconductive switch)나 정류(optical rectification)로 얻은 것보다 최소
수백 배 이상 획기 으로 개선되었다. 결맞음 방사는 자빔
뭉치의 길이가 장보다 짧을 때 일어나는데 각각의 자에
서 생성된 자 의 상이 비슷해 자 의 세기가 첩되
어 커짐으로 자 의 field amplitude가 뭉치 내 자 수, N,에 비례하게 되고, 자 출력은 N의 제곱에 비례하게 된
다. 최근 BNL의 NSLS에서~ 100 µJ THz 펄스의 발생
물리학과 첨단기술 January/February 2008 20
Beam Charge Bunch Length after RF-gun
Bunch Length after Chicane
0.2 nC 0.3 ps < 50 fs0.5 nC 1 - 2 ps < 150 fs
표 2. 전자빔 전하량과 번치길이.
그림 19. 펨토테라헤르츠 분광기 개념도.
Parameter Value Beam energy 60 MeV Beam charge 0.2 - 1 nC Beam emittance < 5 m-mrad Beam pulse repetition rate 60 Hz max.
표 1. 선형가속기의 빔파라메터.
참고문헌
[20] G. L. Carr et al., Nature 420, 153 (2002).
[21] A. Doria et al., PRL 93, 264801 (2004).
측정이 이루어졌다.포항 가속기 연구소에서 진행 인 fs-THz 발생을 한 선
형가속기의 layout은 그림 19와 같다. 먼 Ti:sapphire 이
증폭기의 3차 조화에서 나온 266 nm 펄스를 BNL 형태의
1.6-cell 음극고주 자총(RF-Gun)에 넣어 자 번치를 발
생시키고, 두 개의 S-band 가속 (AC1, AC2)으로 최 60 MeV 에 지의 자빔을 얻는다. 번치 길이를 압축하기 해
서 두 개의 chicane(Chicane 1, chicane 2)이 사용되고 THz source로 coherent transition radiation(CTR)이 사용된다. Chicane 1은 간에 momentum slit이 설치되어 있어
RF-gun에서 발생되는 dark current를 차단하는 역할을 한다. 빔에 지 측정용 2극 자석은 RF-gun 뒤(BAS1), AC1 뒤
(BAS2), 그리고 선형가속기 끝(BAS3)에 치한다. QT1과
BAS3 사이의 약 3 m 공간은 주로 자빔의 진단에 필요한
장치의 설치공간으로 활용된다. 빔라인 건설이 완료된 후
fs-THz beamline의 활용범 를 넓히기 한 방안으로 펨토
길이의 x-선을 발생시킬 수 있는 Compton back scattering 실험 공간으로 활용될 수 있고, FEL 연구에 필수 인
undulator를 설치하기 한 공간으로 활용될 수 있다.[20] 선형가속기를 통과한 약 50 fs 이하 길이의 자 번치는
transition radiation을 해 copper mirror 혹은 aluminum foil을 투과하게 된다. 여기서 발생된 결맞은 THz 빔은 CVD 다이아몬드 window를 통해 나온 후 THz 송 을 따라 실
험실로 이송되어 펄스 에 지와 빔 특성 등의 측정이 이루어
진 후 다양한 실험에 사용되어지게 된다. Ti:sapphire 이
증폭기에서 나온 800 nm 빔의 일부는 실험실로 송되어
OPA(optical parametric amplifier)로 보내져 필요에 따라
UV에서 IR까지 원하는 장의 고속 이 펄스를 만들
수 있다. 이 펄스와 THz 펄스를 사용하여 UV/Vis/IR 펌-THz 로 혹은 THz 펌 -UV/Vis/IR 로 등의 다양한
실험을 진행할 정이다. 이 를 사용하여 발생시킨 THz를
이용한 실험은 생명, 화학, 재료, 보안, 이미징 등 다양한 분
야에서 시도되고 있지만 가속기를 이용하여 발생시킨 고출력
THz는 아직 빔 특성 측정 단계이며 다양한 응용의 기단계
이다. 2007년에 BNL의 NSLS에서 피코 이하의 100 µJ
THz 펄스를 펌 로, 120 fs 800 nm 펄스를 로 로 하여
nonlinear cross-phase modulation을 찰한 것이 PRL에
보고되었다.[21] 재 nanoparticle이나 quantum dot과 같은
여러 가지 물질에 한 비선형 흡 , magnetic system의
spin에 한 연구나 분자간 인력에 한 연구 등 다양한 가
능성들이 제기되고 있으나 세계 으로도 아직 시작하는 단계
이므로 많은 연구자들이 다양한 아이디어와 시도를 통하여
무한한 가능성의 바다로 나아가기를 희망한다. [박재헌]
결 론
에서 소개한 바와 같이 가속기로부터 발생한 강력한 세기
와 다양한 에 지 역의 에 지(photon energy)를 이용하
여 다양한 물질계의 구조, 물리 화학 특성 등을 연구함으
로써 과학에서 추 인 역할을 하고 있음을 알 수 있다. 포항가속기 연구소는 그동안 기 단계를 지나 재 실질 인
연구 기반을 확립하여 다양한 시스템에 한 연구가 활발히
이루어지고 있고 한 실질 인 성과들을 보여주고 있다.포항가속기연구소와 같은 최신 실험기반을 갖추고 있는 이
러한 실험 시설의 가장 큰 장 이라고 하면 과학에 있
어서 가장 요한 공동 연구와 지식 인 라의 상호 교환이
원활하게 이루어질 수 있다는 것이다. 이런 거 공용 실험
장비를 이용하여 더 좋은, 더 명확한 연구가 이루어질 수 있
다고 여겨진다.
