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Next Tech 2030
전자의 움직임을 ‘응시’하는 아토초 레이저
 화학반응의 해명∙제어에 길 열려 

100경(京) 분의 1의 순간에만 빛나는 ‘아토초(Attosecond) 레이저’ 개발이 추진되고 있다. 카메라의 플래시와 같이 빛나며 화학반응으로 움직이는 전자의 한 순간을 포착한다. 이화학(理化学)연구소에서는 레이저의 출력을 더욱 높여 단백질 및 금속의 움직임을 마치 ‘멈춰있는 상태’에서 관찰하기 위해 노력하고 있다. 이러한 초고속 카메라가 개발된다면 화학반응의 메커니즘을 잘 알 수 있다. 2030년경에는 전혀 새로운 재료를 개발할 수 있게 될지도 모른다.

우리 주위의 물질은 여러 가지 분자와 원자로 구성되어 있으며, 원자의 핵 주위에는 전자가 돌고 있다. 분자와 원자가 연결되거나 분리되어 다른 물질로 변화하는 화학반응에서는 전자의 움직임이 큰 역할을 담당한다.

분자와 원자는 극미의 세계에서 초고속으로 날아다니고, 전자는 그보다 더 빠른 속도로 움직인다. 관측에는 이러한 움직임보다도 빠른 간격으로 셔터를 누를 수 있는 카메라가 필요하다. 극히 짧은 순간 빛이 나는 펄스레이저(Pulsed laser)광원을 카메라의 플래시처럼 사용할 수 있다면 원자와 분자, 전자의 초고속 움직임의 순간을 포착할 수 있다.

이러한 플래시가 되는 레이저는 1960년경에 최초로 개발되었고 빛이 나는 시간을 보다 단축하려는 연구가 이어졌다. 1980년대에는 드디어 레이저가 빛나는 시간이 수 펨토(Femto, 1,000조 분의 1)초까지 도달했다. 이를 통해 분자의 순간 움직임을 멈춘 상태로 관찰할 수 있게 되었다. 분자 간에 일어나는 화학반응 등을 조사할 수 있게 되면서 이 분야는 ‘펨토초 화학’으로서 발전했다.

하지만 “실제로 화학반응에서 중요한 것은 원자를 돌고 있는 전자가 어떻게 움직이는가 이다”(이화학연구소의 미도리카와(綠川) 광(光)양자공학연구센터장). 분자와 원자보다도 더욱 빠르게 움직이는 전자의 움직임을 관찰하기 위해서는 수 아토(100경 분의 1)초의 순간에만 빛나는 레이저가 꼭 필요하다.

2000년대에 들어 드디어 아토초 레이저가 개발되었지만 출력이 약해 전자의 움직임을 잘 볼 수 없었다. 미국과 유럽, 중국 등에게도 출력 및 파장 조건을 만족하는 레이저 개발을 서두르고 있다.

이화학연구소는 탄소와 산소 등 생체를 구성하는 원자가 흡수하기 쉽고, 물의 영향을 잘 받지 않는 파장에서 아토초의 빛을 낼 수 있는 레이저를 개발했다. 또한 레이저의 출력 향상도 추진하고 있다. 탄소 등에 빛을 흡수시켰을 때의 전자 움직임을 보면 원자의 반응 및 역할 등을 알 수 있을 가능성이 있다.

흑연 등 탄소재료에 강한 빛을 조사(照射)하면 다이아몬드로 변화한다. 하지만 현재는 빛을 조사하기 전후에 만들어진 물질만 확인이 가능해 어떻게 구조가 바뀌는지 등 과정을 알 수 없는 상태이다. 전자가 빛을 흡수해 움직이는 모습을 관찰할 수 있게 된다면 다양한 화학반응을 제어할 수 있는 방법을 찾을 수 있을지도 모른다.

이화학연구소가 개발을 추진하는 아토초 레이저는 금속재료의 화학반응을 파악하려는 목적도 있다. 미도리카와 센터장은 “아토초 레이저는 화학반응의 본질 탐구뿐만 아니라 초고속 전자디바이스 재료 등의 개발로도 이어질 것이다”라고 말한다.

-- 재료 가공도 높은 정밀도로 --
최근 극히 짧은 시간에 발사되는 강한 레이저 빛을 응용한 재료 가공도 주목 받고 있다. 아토초 레이저는 대출력화가 추진되고 있어 가공에 이용되기 시작하고 있다. 유리 등의 재료도 높은 정밀도로 가공할 수 있다는 것이 특징이다.

일반적으로 레이저 가공은 재료에 레이저 빛을 조사해 재료 원자가 가진 전자에 에너지를 주입한다. 결합을 담당하는 전자의 움직임을 활성화해 절단하는 것이다.  이 경우, 전달된 에너지는 열이 되어 퍼지기 때문에 가공 부분의 주변이 녹아버리는 등의 문제가 발생한다.

대출력의 아토초 레이저는 가공 부분 주변에 열이 전달되는 속도보다 빨리 에너지를 주입할 수 있어 높은 정밀도로 깨끗하게 가공할 수 있다.

가공하지 못하는 재료도 거의 없다. 기존의 레이저를 이용한 유리 가공은 빛이 투과해버리기 때문에 불가능하다. 한 순간에 강력한 빛을 발사하는 아토초 레이저는 유리 등 투명한 재료도 가공할 수 있다.

하지만 빛이 닿았을 때 재료의 원자가 가진 전자가 어떻게 움직이는지 등의 가공 과정을 자세히 알 수 없다. 전자의 움직임을 관찰할 수 있게 된다면 높은 정밀도로 가공이 가능한 이유와 에너지의 전달 방식 등 원리를 이해할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

▶ 아토초 레이저의 연구개발에 관한 동향
- 1960년경: 레이저 개발
- 1985년경: 펨토초의 빛을 낼 수 있는 레이저 개발
- 2001년: 아토초 레이저 빛을 발사할 수 있게 됨
- 2015년: 분자 내 전자의 움직임을 관찰할 수 있게 됨
- 2030년경: 전자의 움직임을 이해해 화학반응 제어 및 신소재 개발에 활용

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