레이저 쓰기 혁신 – 비교할 수 없는 속도와 정밀도 달성

중국의 연구진이 두 빛줄기를 이용해 미세한 구조를 만드는 직접 레이저 기록법을 발표했다. Optics Letters에 실린 연구는 100마이크로미터/초의 기록 속도에서 가로 방향으로 약 100나노미터의 분해능을 보여준다. 광학 부품과 다른 정밀 구조물을 만드는 데 활용할 가능성이 있지만, 특정 상용 제품에 이미 적용됐다는 뜻은 아니다.

직접 레이저 기록법이란?

직접 레이저 기록법(DLW)은 빛을 원하는 위치에 집중시켜 감광성 재료를 굳히거나 구조를 형성하는 제조 방법이다. 여러 광자를 이용하는 방식은 작은 2차원 또는 3차원 구조를 만드는 데 쓰인다. 분해능을 높이려면 원하는 곳은 충분히 노출하면서 주변 재료가 불필요하게 굳지 않도록 해야 한다.

기존 방식의 어려움

강한 레이저 빛은 목표 지점 주변에도 영향을 줄 수 있다. 그 결과 서로 매우 가까운 선을 분리해 만들기 어려워진다. 이 연구는 주변 영역의 중합을 억제하는 빛을 추가해 그 문제를 줄이고자 했다.

연구의 핵심

연구 논문 「Super-resolution direct laser writing via multiphoton and peripheral photoinhibition photolithography」¹는 다광자 직접 기록과 주변 광억제 기록을 비교한다. 연구진은 두 빛줄기와 특수 감광 재료를 이용해 미세한 선과 3차원 구조를 제작했다.

두 빛줄기의 역할

한 빛줄기는 재료의 중합을 시작하고 다른 빛줄기는 그 주변에서 중합이 일어나지 않도록 억제한다. 이렇게 하면 기록할 선의 가장자리를 더 정밀하게 정할 수 있다. 연구진은 두 빛줄기의 정렬과 강도를 조절해 시험했다.

광학 장치의 세부 구성

여기광은 파장 525나노미터의 펨토초 레이저였고, 억제광은 532나노미터의 피코초 레이저였다. 두 광로의 차이로 약 2700피코초의 지연이 생겼다. 연구진은 공간 광 변조기(SLM)와 제르니케 다항식을 이용해 파면 수차를 보정하고, 빔의 정렬과 출력 변동 및 장치의 드리프트를 관리했다.

감광 재료

시험에는 PETA 단량체와 BTPOS를 포함한 감광 재료가 쓰였다. BTPOS는 주변에서 불필요한 가교 반응을 줄이는 데 도움을 주는 라디칼 소거제로 설명된다. 특정 배합과 장치에서 얻은 결과를 모든 재료에 그대로 적용할 수는 없다.

시험 방법

연구진은 매우 가까운 선과 나무더미처럼 막대가 층층이 교차하는 3차원 시험 구조를 만들었다. 막대 사이의 가로 간격은 300나노미터에서 225나노미터까지였다. 이런 시험은 작은 형상을 얼마나 분리해 기록할 수 있는지 확인하는 데 쓰인다.

출처: Optica

측정 결과

논문 초록에 따르면 연구진은 100마이크로미터/초에서 약 100나노미터의 가로 분해능을 얻었다. 기록 속도를 1000마이크로미터/초로 높였을 때도 약 120나노미터의 가로 분해능을 기록했다. 3차원 시험 구조의 최소 축 방향 주기는 318.15나노미터로, 논문이 제시한 해당 회절 한계 320나노미터보다 약간 작았다. 이는 실험 장치에서 얻은 결과이며 모든 제품의 생산 속도나 비용을 입증하지는 않는다.

가능한 활용 분야

작은 구조를 빠르고 정밀하게 만들 수 있다면 미세 렌즈, 광결정, 광학 장치, 메타물질 연구에 도움이 될 수 있다. 연구진은 가상현실과 증강현실 화면에 쓰이는 광도파로도 잠재적 응용 분야로 언급했다. 실제 제품에서는 반복 생산성, 재료 안정성, 비용, 품질 관리가 별도로 검증돼야 한다.

데이터 저장

미세 가공 기술은 장기적으로 데이터 저장 장치의 부품 연구와 관련될 수 있다. 하지만 이번 논문은 상용 하드디스크의 용량 향상이나 특정 저장 장치 제조법을 입증하지 않았다.

VR·AR 및 광학 부품

정밀한 미세 구조는 VR·AR용 광학 부품을 설계할 때 유용할 수 있다. 이 연구의 시제품이 곧바로 소비자용 기기의 성능 향상이나 가격 인하로 이어진다고 단정할 수는 없다.

연구진

논문 저자는 Xi Liu, Qiulan Liu, Mengdi Luo, Liang Xu, Cuifang Kuang, Xu Liu다. 연구진은 중국 저장대학교와 Zhejiang Lab 등을 포함한 기관에 소속되어 있다. 연구 결과와 저자 목록은 논문에 제시돼 있다.

관련 기업

다음 회사는 데이터 저장 산업의 사례로 소개한다. 이 연구에 참여했거나 위 기록법을 제품에 도입했다는 뜻은 아니다.

Seagate Technology Holdings

Seagate Technology Holdings (STX )는 데이터 저장 장치와 관련 서비스를 제공한다. 이 논문만으로 회사의 제품 개발 계획, 실적 변화, 또는 주가 상승을 예측할 수 없다.

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연구가 보여주는 것

두 빛줄기와 감광 재료를 결합한 방법으로 미세한 선과 3차원 구조를 정밀하게 기록할 수 있음을 보여줬다. 광학 부품의 제조 연구에 유용한 진전이지만, 상용화 시기와 실제 제품에서의 성능은 후속 검증이 필요하다. 다른 나노기술 연구는 여기에서 볼 수 있다.

참고 연구

^{1. Liu, X., Liu, Q., Luo, M., Xu, L., Kuang, C. 및 Liu, X. (2025). 「Super-resolution direct laser writing via multiphoton and peripheral photoinhibition photolithography」. Optics Letters 50(5), 1675–1678. https://doi.org/10.1364/OL.552034.}