싱가포르(Singapore)의 과학자들은 잉크가 필요 없는 혁신적인 프린팅 방법을 개발했다.

금속 나노구조체(metal nanostructures)를 이용해 인치(inch)당 100,000 도트(100,000 dpi)의 해상도로 선명한 완전 칼라 이미지를 생성한다. 이는 현존 최고 해상도보다 10배 높은 것으로 적용 범위를 확대하면 이 기술은 위조지폐 방지나 고밀도 광학 데이터 스토리지, 혹은 비밀 메시지 전송에 응용될 수 있다고 피직스월드닷컴이 14일(현지시각) 보도했다.

현존 최고의 광학 현미경이라도 어쩔 수 없는 해상도 한계가 있는데, 그것은 빛의 파장 길이의 반이다. 이는 나란한 두 칼라 픽셀이 서로 구별되는 한도 내에서 얼마나 가까이 갈 수 있는가를 좌우하는 한도이다. 이 “광학 회절 한도(optical diffraction limit)”보다 가까우면 반사되는 빛이 회절하면서 중첩되고, 따라서 색상들이 흐릿하게 하나가 되어 구별이 안 간다.

따라서 가시광선 스펙트럼 중간대인 약 500나노미터에서 칼라 픽셀(pixel)들은 광학회절 한도에 의해 최소 사이즈 250나노미터, 혹은 100,000dpi의 해상도를 갖는다. 그러나 가장 좋은 산업용 잉크젯 프린터나 레이저젯 프린터일지라도 이 해상도의 10분의 1 밖에 안 된다. 그것은 잉크방울의 점(spot)이 미크론 크기이기 때문이다.
 

* 스테인드글라스(Stained Glass)에서 영감을

최근 나노기술자들은 중세 스테인드글라스에서 영감을 찾고 있다. 금속 가루(dust) 첨가제가 독특하게 선명한 색상을 만드는데, 빛이 금속 입자를 때리면서 특정 파장이 흡수되어 플라스몬을 여기((勵起)시킨다. 즉, 금속 표면의 전도 전자(傳導電子)가 결맞는(coherent) 진동을 하는 것이다. 이 지식을 기반으로 선택적으로 빛이 투과하는 정공(hole)이 뚫린 반사성 금속 필름이 이미 미크론 크기의 칼라 픽셀을 만드는데 성공적으로 사용되었다. 그러나 그보다 크기를 축소하는 데는 여태껏 아무도 관심을 기울이지 않았다.

* 정밀 조정되는 반사체

싱가포르 과학기술연구국(A*STAR)의 카르딕 쿠마르(Karthik Kumar)와 연구팀은 기존에 시도되거나 테스트되어 확실히 믿을 수 있는 아이디어에다 나노정공(nanohole) 반사체를 조합해 보았다.

입자의 지름에 따라 서로 다른 빛의 파장을 흡수하거나 반사하는 금속 나노입자 어레이(배열)를 이용하자는 아이디어였다. 전자빔 리소그래피를 이용하여 그들은 실리콘 기질(基質) 위로 폭 수십 나노미터의 실리콘(규소) 산화물 기둥을 에칭(etching)했다.

다음으로 그들은 금속 증발(evaporation) 기술로 플라스몬으로 활성화된 은(銀, 15 나노미터)과 금(金, 5 나노미터)을 실리콘 산화물 기둥과 실리콘 기질 위에 극도로 얇은 필름으로 정착시켰다.

배양된 나노디스크가 2 x 2 형태로 250 나노미터를 측정하는 픽셀 내의 배경 반사체 위에 놓였다. 서로 다른 색상이 각각의 픽셀에 나노디스크 직경(50~140 나노미터)과 거리(30~20 나노미터)를 달리하여 인코딩된다. 디스크의 직경을 조작해서 연구원들은 표면의 플라스몬 공명 주파수를 제어할 수 있었다. 이는 바이올린 현 길이를 변경하여 공명 주파수를 변경하는 것과 같은 방법인데, 따라서 빛의 어떤 파장이 입사광에서 제거되는지, 그리고 어떤 파장이 반사되는지를 제어하는 것이다.

* 놀라운 데모(demonstration)

새로운 기술을 증명하기 위해서 연구팀은 완벽한 "레나(Rena) 테스트 이미지"를 복제했는데, 레나 테스트 이미지는 1972년 플레이보이 잡지에 붙어 있던 그림으로 이미지 처리 분야에서 일종의 표준으로 사용되어 왔다. 레나(Rena) 이미지의 상세한 색상과 색조를 인간의 세포 크기 정도로 작은 50 나노미터 한도까지 구현한 것이다.

이로써 특수한 나노구조체 패턴과 사이즈, 그리고 간격에 해당하는 색상의 데이터베이스를 구축했다. 이 나노구조체에 위치가 부여되는 것이다. 논문의 공동저자인 과학기술국의 조엘 양(Joel Yang)은 금속 필름이 적용되면 모든 것이 갑자기 마술같이 나타난다고 덧붙였다.

쿠마르(Kumar)는 이 극단적으로 작은 칼라 도트(color dots)의 위치를 정확하게 정함으로써, 이론상 가장 높은 칼라 프린트 해상도인 100,000dpi를 증명할 수 있었다고 말했다. 금(gold)과 같은 다른 금속을 서로 다른 양으로 혼합하면 색조가 따뜻한 붉은색과 노란색으로 기울지만 아무튼 그들은 무지개의 모든 색을 구현했다.

* 전망과 응용

이 기술을 응용할 수 있는 분야는 보안 태그나 비밀 메시지로부터, 블루레이 디스크 관련 광학 데이터 스토리지까지 다양하다. 쿠마르(Kumar)에 따르면 "반사체 칼라 디스플레이(reflector colour display)"라는 칼라에서의 킨들(Kindle, 전자책)같은 것이 이 기술에도 가능할 것이라고 말한다.

연구팀은 실리콘 산화물을 석영(quartz)으로 교체해 보았으며 지금은 다양한 폴리머를 조사하고 있다. 아울러 전체 아키텍처(구성)를 보다 쉽게 만들 수 있으면서 경제적으로 양산이 가능한 리소그래피 기술도 조사하고 있다.