• 서울대 정인 교수팀, 빛을 음굴절시킬 수 있는 메타물질 구현 성공

메타물질 소재가 빛을 음굴절시키는 현상을 모사한 그림. [서울대 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 해리포터의 ‘투명망토’, ‘슈퍼렌즈’처럼 영화 속 단골소재로 등장하던 메타물질 상용화를 위한 단초를 국내 연구진이 찾아냈다.

한국연구재단은 서울대 화학생물공학부 정인 교수 연구팀이 한국세라믹기술원과 포항공과대 연구팀과 함께 음굴절하는 파장대를 정밀하게 조절할 수 있는 벌크 메타물질을 구현했다고 7일 밝혔다.

메타물질은 빛을 음굴절시키거나 빛의 파장보다 작은 초점을 만드는 등 자연계에 존재하지 않는 특이 성질을 보이는 물질을 말한다.

지금까지는 자연계에 존재하지 않는 물성을 유도하기 위해 매우 작은 금속이나 유전물질의 주기적인 배열을 이론적으로 계산하고 극한 난도의 가공기술을 동원한 세공을 통해서만 메타물질을 구현할 수 있었다.

메타물질의 구조가 성질을 좌우하기에 구조의 설계와 변형이 어려운 기존 합성 방식으로는 다양한 메타물질의 구현과 성질 제어는 요원한 일로 여겨졌다.

특히 주로 2차원 박막 형태의 물질 위주로 3차원적 성질이 구현된 바 없고, 양산할 수 있는 정도의 벌크 소재도 개발된 바가 없다.

연구팀은 박리화된 질화 보론과 흑연층이 자발적으로 교차 적층되는 합성법을 개발, 이들 분말을 벽돌처럼 찍어 잘라낸 벌크 소재가 3차원 모든 방향에서 하이퍼볼릭 메타물질 성질을 가진다는 사실을 확인했다.

하이어볼릭 메타물질이란 한쪽 방향의 유전율이 다른 방향의 유전율과 부호가 반대인 비등방성 물질로, 음굴절 등 자연계에 존재하지 않는 광학적 성질을 보일 수 있다.

기존 메타물질과 달리, 화학적 조성 제어를 통해 음굴절을 구현하는 파장대를 정밀하게 조율할 수 있다.

특히 나노구조체가 아닌 벌크 형태로는 처음으로 구현된 메타물질로, 평면 방향뿐만 아니라 모든 방향으로 들어오는 빛을 음굴절시킬 수 있다는 설명이다.

자연계에 존재하는 물질을 빛이 통과할 때 양(+)의 굴절률을 보이며 꺽이는데, 이와 반대 방향으로 음(-)의 굴절률을 보이며 급격히 꺾이는 현상인 음굴절은 투명망토, 나노 입자도 볼 수 있는 초고해상도 이미징 등의 실마리가 될 수 있다.

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정인 교수는 “메타물질 실용화를 위해서는 자연계에 존재하지 않는 물성을 구현하고 관측해야 하기 때문에 장비 구축이 필요하다”면서 “앞으로 구성요소들을 달리해 다양한 메타물질을 합성할 계획”이라고 밝혔다.

한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학 분야 국제 학술지 ‘미국화학회지’ 11월 16일 온라인판에 공개됐으며, 정식 출간본의 표지 논문 및 스포트라이트로 선정됐다.