전자기술(electronics)은 전자를 이용하여 컴퓨터나 메모리와 같은 전기와 관련된 장치를 만드는 것을 말한다. 전자기술의 경우 장치의 크기가 작아져도 항상 좋은 성능을 뽑아내는 반면 광기술(photonics)의 경우 광자를 이용한 기술이기 때문에 빛의 회절 한계로 인해 소형화 시키는 데 한계가 있다. 반대로 전자기술의 경우 휴대폰이나 컴퓨터와 같은 전자기기의 전원을 킬 때 시간이 오래 걸리는 것과 같이 작동 속도 측면에서 한계가 있지만 광기술은 매우 빠른 빛의 속도로 인해 작동 속도를 빠르게 할 수 있다.


이러한 전자기술과 광기술의 장점만을 모아놓은 기술이 바로 플라즈모닉스(plasmonics)이다. 플라즈모닉스는 파장 이하의 영역에서 빛을 강하게 집속시켜 기존 재료 특성에 의한 물리적 한계를 극복함과 동시에 기존 기술의 장점인 작은 크기와 빠른 작동 속도를 모두 충족할 수 있다. 전자기술은 전자를 이용하고, 광기술은 광자를 이용한 것과 같이 플라즈모닉스는 주로 표면 플라즈몬이라고 불리는 금속과 유전체 경계에서의 자유 전자가 진동하는 집단 거동을 이용한다. 이는 주로 전파 표면 플라즈몬(propagating surface plasmon: PSP)와 국소 표면 플라즈몬(localized surface plasmon: LSP)으로 구분된다.

PSP의 경우 플라즈모닉스가 Fig 2.와 같이 금속 표면의 (+)전하와 (-)전하가 연속적으로 생겨 진동하면서 빛의 진행을 돕는다. 표면 플라즈몬에 의한 유효 파수(k_spp)는 전기장, 자기장 식을 이용해 이들이 진행하면서 금속과 유전체에서 소멸하는 지점이 같다는 점을 통해 구할 수 있다. 계산해 보면 빛의 파장을 줄이지 않더라도 유효 파장이 훨씬 짧아지게 되어 회절 한계가 크게 줄어든다. 때문에 패턴 해상도가 향상되어 이미징 등에 응용할 수 있다.


LSP도 마찬가지로 아주 짧은 유효 파장을 가진다. 때문에 기존에는 구조체가 빛이 회절한계보다 작은 경우 빛이 모이지 않았지만, LSP를 이용하면 빛이 회절한계보다 작은 나노 구조의 내부에서 빛을 집속시킬 수 있다. 이는 플라즈몬 공명 에너지가 여기 되어 나노 구조 근처에 국소 전기장의 집속 현상이 일어나기 때문이다.


단일 나노 구조에서도 이런 집속 현상을 확인할 수 있지만, 빛을 집속시키는 나노 구조 사이의 거리를 가까이할수록 플라즈몬 구조와 광자와의 상호작용이 커져 더 효율적으로 빛을 집속할 수 있다. 빛을 집속하는 정도는 나노 구조의 모양과 크기, 배열 등에 영향을 받는다.


Fig 3, Fig 4와 같이 구조체의 표면을 따라 빛이 집속되는 것을 확인할 수 있다. 특히 피뢰침 현상과 같이 뾰족한 나노 구조의 끝부분에 빛이 강하게 집속 된다. 나노 구조 사이의 거리가 가까워질 때, 특히 끝 부분끼리 가까워졌을 때 빛 집속이 극적으로 향상되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 나노 구조를 광 집속 안테나라고 하며, 이를 수 나노 간격으로 제작하기 위해서는 초정밀 기술이 필요하다.


기존에는 이러한 광 집속 안테나를 제작하기 위해 전자빔 리소그래피(Electron beam lithography: EBL), 집속 이온 밀링(Focused Ion Beam: FIB), 나노스텐실 리소그래피(nanostencil lithography) 등을 이용한 탑다운 방식(Top-down)을 사용하였다.
EBL과 FIB는 10-20 nm의 갭을 형성할 수 있지만 해당 방법들은 기판의 종류, 패턴의 밀도 등의 조건을 맞춰 주기가 까다롭다. 특히 EBL의 경우 모서리 부분에서의 원하지 않는 추가적인 현상이 발생하는 근접 효과(Proximity effect) 등의 문제가 발생한다.

이를 보정하기 위해 Fig 5.와 같이 일부 테두리 영역을 제외하고 현상시키는 방법이 있지만, 이것 역시 수 나노미터 미만의 곡률 반경(Radius of Curvature: ROC)를 가지지 못하여 뾰족한 모서리를 정교하게 가공하지 못한다. 많은 구조를 만들면 통계적으로 그 중 몇 개는 뾰족한 모서리로 가공할 수 있지만 이를 활용하기 위해서는 작업한 모든 구조체의 ROC를 측정해야 하므로 비효율적이다.


 

갈륨(Ga) 기반의 FIB의 경우 비교적 큰 크기의 이온이므로 의도하지 않은 손상을 입힐 수 있다. 헬륨(He) 기반의 FIB의 경우 비교적 작은 크기의 이온으로 5 nm 이하의 갭을 가질 수 있지만 밀링 시간, 추가 밀링 단계 또는 근접 효과 보정과 같은 까다로운 공정 조건을 필요로 하기 때문에 많은 양의 나노 안테나를 균일하게 제조하기는 어렵다.