메타물질

메타물질 개념도

일반 물질(A)과 음의 굴절율을 갖는 메타물질(B)의 굴절 현상 비교 모식도 (출처: 대한화학회)

메타물질(Metamaterial)은 기존의 물질을 뛰어넘는 새로운 물질에 대한 총칭으로 주로 나노구조를 제어하여 자연계에 존재하지 않는 음굴절율 등의 새로운 광학특성을 보이는 물질을 의미한다. 즉, 빛의 파장보다 매우 작은 인공 구조체를 "원자"로 하여 집합체를 만들었을 때, 집합체가 새로운 균일 "물질"로서 새로운 광학적 물성을 보이는 것을 말한다.

개요

메타물질(metamaterial, 그리스어로 '넘어서'을 의미하는 'meta'와 라틴어로 '물질'을 의미하는 'materia'로 이루어진 합성어)은 자연에서 얻어진 물질에서 발견되지 않는 특성을 갖도록 설계한 물질이다.

메타물질의 구조는 금속이나 플라스틱과 같은 복합 재료로 만들어진 여러 원소의 조립 형태이다. 또한 일반적으로 영향을 미치는 파장(wavelength)보다 더 작은 크기의 반복된 패턴으로 설계된다. 이러한 물질의 모양, 구조, 크기, 방향 및 배열에 따라 전자기파(electromagnetic waves)를 조절할 수 있다. 즉, 기존의 알려진 물질로 가능했던 것 이상으로 파동(wave)을 차단(blocking), 흡수(absorbing), 강화(enhancing) 또는 휘게(bending) 할 수 있다.

적절하게 설계된 메타물질은 일반적인 물질에서 관찰되지 않던 새로운 방식으로 전자기 복사나 소리와 같은 파동에 영향을 줄 수 있다. 특히 특정 파장에서 음의 굴절률(negative index of refraction)을 갖는 메타물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

메타물질은 광학 필터, 의료 기기, 원격 항공우주 분야, 센서 감지, 구조물 감시(infrastructure monitoring), 태양광 발전 관리, 군중 통제(crowd control), 레이돔(radome), 고주파 전장 통신, 고성능 안테나(high-gain antennas), 초음파 센서 개선, 그리고 심지어는 지진으로부터 건축물을 보호하는 것까지 매우 다양하면서도 잠재적 응용성을 가지고 있다.

또한 메타물질은 슈퍼렌즈(superlens)를 만들 수 있는 가능성을 보여준다. 이러한 렌즈는 기존의 유리 렌즈로 얻을 수 있는 최소 해상도인 회절 한계(diffraction limit) 이하에서도 이미지를 얻을 수 있다. 기울기(gradient) 굴절률 지수를 갖는 재료를 사용하여 ‘투명(invisibility)’ 형태 시연에 성공하였으며, 음향과 지진에 적용 가능한 메타물질도 연구되고 있다.

메타물질 연구는 전기 공학, 전자기학, 고전 광학, 고체 물리학, 마이크로파 및 안테나 공학, 광전자 공학, 재료 과학, 나노 과학 및 반도체 공학과 같은 분야가 어우러진 다학제 간 연구 분야다.

메타물질의 역사

전자기파를 조절할 수 있는 물질 개발은 19세기 말부터 시작되었다. 1898년 카이랄(chiral) 특성이 있는 물질을 연구한 방글라데시의 보세(J. C. Bose)에 의해 메타물질로 간주할 수 있는 초기 구조가 알려졌다. 이후, 20세기 초 린드맨(K. F. Lindman)은 금속 나선 구조를 인공 카이랄 매질로 사용하여 파동과의 상호작용에 관해 연구하였다.

1940년대 후반 AT&T 벨 연구소(AT&T Bell Laboratories)의 코크(W. E. Kock)는 메타물질과 유사한 특성을 가진 물질을 개발하였다. 1950년대와 1960년대에 경량 마이크로웨이브 안테나용 인공 유전체(artificial dielectric) 개발 연구가 진행되었다. 이후 1980년대와 1990년대에는 인공 카이랄 매질로 마이크로파 레이더 흡수제를 응용하는 연구가 진행되었다.

음의 굴절률을 갖는 물질은 1967년 러시아의 물리학자이자 수학자인 베셀라고(V. Veselago)에 의해 이론적으로 처음 기술되었다. 광학 이론상으로는 굴절률이 반드시 양의 값이어야 할 이유가 없는데, 음의 굴절률의 메타물질 프리즘을 통과한 빛은 기존 방향과 정반대로 휘어지고, 메타물질을 헤엄치는 물고기는 수면 위에 떠서 헤엄치는 것처럼 보이며, 도플러 효과 역시 정반대로 나타날 것이다.

베셀라고는 그러한 물질이 빛을 전달할 수 있음을 증명하였다. 그는 위상 속도(phase velocity)가 전자기장의 에너지 흐름을 나타내는 포인팅 벡터(Poynting vector) 방향과 역평행하게 될 수 있음을 보여주었다. 이는 자연적인 물질에서 파동이 전파되는 현상과 반대다.

2000년 영국의 이론 물리학자인 펜드리(John Pendry)는 플레밍의 오른손 법칙(right-hand rule)을 따르지 않는 왼손 메타물질(left-handed metamaterial)을 만드는 실용적인 방법을 처음으로 제안하였다. 이러한 물질은 전자기파가 위상 속도에 대해 에너지를 전달할 수 있게 한다. 펜드리의 아이디어는 파동의 이동 방향을 따라 정렬된 금속 와이어 구조가 음의 유전율(permittivity)을 제공할 수 있다는 것이었다.

음의 굴절율을 갖도록 설계된 메타물질 배열 구조

강유전체(ferroelectric)와 같은 천연 재료는 음의 유전율을 나타낸다. 문제는 음의 투자율(permeability)을 달성하는 것이다. 1999년 펜드리는 파동이 진행하는 방향을 따라 축이 고정된 C자 모양의 분할 링(split ring) 구조가 음의 유전율을 나타낼 수 있음을 시연하였고, 와이어와 고리로 이루어진 주기적인 배열 구조가 음의 굴절률을 유발할 수 있음을 밝혀내었다. 또한 펜드리는 음의 투자율과 관련하여 스위스 롤 형태의 디자인도 제안하였다.

2000년 미국의 물리학자 스미스(D. R. Smith)는 분할 링 공진기(resonator)와 얇은 와이어를 수평으로 주기적으로 쌓아 전자기 메타물질을 실험적으로 구현한 결과를 보고하였다. 이후 음의 굴절률과 관련된 실험이 많은 연구자에 의해 수행되었으며 2006년 마이크로파 주파수 영역에서 불완전하지만, 최초로 투명 망토가 실현되었다.

기술 구분

메타물질은 파동의 종류에 따라 음파, 진동, 지진파, 전자기파(광학)로 구분하는 것이 가능하다.

• 음파, 진동, 지진파 메타물질 : 음파 등에 대해 원하는 특성을 가지도록 미세 구조체를 만든 메타물질로서 현재 음파에 대한 투명망토, 지진/쓰나미 제어 등에 대한 연구가 진행 중이다.
• 전자기파 메타물질 : 전기적/자기적 성질을 원하는 대로 가지도록 미세구조체를 만든 메타물질로서, 미세구조체의 유전분극 특성, 표면전류 분포, 전기적 공진, 자기적 공진 등의 성질을 조절함으로써 여러가지 새로운 특성의 메타물질 구현이 가능하다.

<전자기파 메타물질의 주요 R&D 대상 기술>

구분	주요 R&D 대상 기술	특징 및 기대효과
음굴절율, 극한 굴절율	초고분해능 이미징	완전렌즈 또는 하이퍼렌즈를 이용하여 파장보다 훨씬 작은 크기 물체 식별 단백질, DNA 등 바이오 분자의 광학적 이미징
	초고분해능 리소그래피	반도체 소자의 최소 선폭을 줄이고 집적도를 향상
광결정 메타물질	초소형 광소자	저전력, 고속 레이저 구현
	고발광 효율 소자	LED의 방출효율 높이는 소자개발
극한 굴절률	저손실 전자기 도파로 연결소자	연결부위 형상과 크기 관계없이 저손실 도파 가능
	지향성 안테나	기존 구현이 어려웠던 특수 또는 극한 지향성을 가지는 안테나 제작 가능 레이더 등 군사적 응용, 통신분야 응용 기대
손지기 (Chirality)	편광 제어 소자	큰 활성도를 이용하여 기존 소자에 비해 크기 대폭 줄어든 소자 제작 가변 메타물질과 결하하여 디스플레이 등 가변 광활성도가 필요한 응용 가능
	생체분자 분석	단백질 등 거울상을 가지는 생체분자구조분석 응용 가능 현재 분석장비 대비 큰 감도 향상 기대
비선형/가변 메타물질	전자소자 대체할 전광소자	소자의 저전력화, 소형화, 고속화 가능해져 전광소자 관련 시장창출 기대
	차세대 디스플레이/ 고밀도 광학저장장치	가변 메타물질 이용한 새로운 방식의 디스플레이, 고밀도 광학저장장치 등 새로운 응용가능성 기대

음의 굴절률

음의 지수를 갖는 메타물질(negative-index metamaterial, NIM)은 다른 용어로 "왼손 매체(lefthanded media)", "음의 굴절률을 가진 매체(media with a negative refractive index), 그리고 "후진파 매체(backward-wave media)"라고도 불린다. 이는 유전율과 투자율이 동시에 음의 값을 나타내야 하기에 이중 음의 메타물질(double negative metamaterials) 또는 이중 음의 물질이라고도 부른다.

일반적으로 물질의 유전율(εr), 투자율(μr) 및 굴절률(n) 사이에는 다음과 같은 관계식으로 나타낼 수 있다.

물, 유리와 같은 투명한 물질은 양의 유전율과 투자율을 가지고 있다. 따라서 관례상 n은 양의 제곱근이다. 그러나 일부 설계된 메타물질은 유전율과 투자율이 모두 음의 값이고, 그 곱이 양수가 되기에 n은 실수이다. 그러나 이러한 상황에서는 n에 대해 음의 제곱근을 취해야 한다. 유전율과 투자율이 모두 양수(음수)이면 파동은 앞으로(뒤로) 이동한다. 전자기파는 굴절률이 허수가 되기 때문에 반대 부호의 물질에서는 전파될 수 없다. 이러한 물질로는 전자기 복사에 대해 불투명한 금속(금, 은, …)인 플라즈몬(plasmonic) 물질을 예로 들 수 있다.

투명 망토

투명 망토를 만들 수 있는 가능성으로 메타물질이 유명해졌다. 시야에서 물체를 사라지게 할 수 없다는 것은 전자기 복사가 직선으로 진행한다는 전제가 깔려있다. 복사선을 물체 주위로 우회한 후 물체 반대편에서 처음 광선과 나란하게 진행하게 할 수 있다면 그 물체는 보이지 않게 된다.

이론적으로 이러한 효과를 얻을 방법에는 두 가지가 있다. 첫째는 좌표 변환으로써 망토의 굴절률을 조절하여 복사선이 물체 주위를 우회하도록 하는 방법이다. 실제 이러한 망토를 제작하는 기술은 각 지점에서 필요한 정확한 변환 좌표를 계산해 내는 능력에 달려 있다. 다른 방법은 굴절률을 조절할 수 있는 망토를 제작하여 물체에 의해 발생하는 산란을 상쇄시키는 방법이다. 이 경우 복사선은 물체와 망토 모두를 통과하지만, 둘 다 보이지 않게 된다. 메타물질은 그 물질의 물리적 구조를 변화해 굴절률을 조절할 수 있다. 위 두 가지 방법의 성패는 굴절률을 미세하게 조절할 수 있는 매타물질을 개발하는 것에 달려있다.

국내외 정책 동향

메타물질의 개념이 이론적으로 제안된 이래 활발한 연구가 진행되고 있으며, 대학 등 연구기관간 협력을 중심으로 학제간 연구를 수행중이다.

해외

미국, 영국, 중국 등에서 최근 메타물질 관련 정부 연구개발투자가 집중되고 있으며, 관련 연구기관을 설립하는 등 연구에 많은 노력을 기울이고 있다.

특히 메타물질 연구를 주도하는 글로벌 38개 선도기관 중 미국 소재 기관이 19곳으로 가장 많은 것으로 나타났으며, 그 외 EU(5개), 중국(5개), 일본(1개) 등 순으로 나타났다. ※ 출처 : 재료연구소, '소재기술백서 2013'

미국

- MURI 프로그램의 21개 지원분야 중 4개 분야가 메타물질 관련 분야로 2012년 기준 총 200억 원에 상당하는 신규 연구가 지원되었다.

• Multidisciplinary Research Program of the University Research Initiative, 2001년부터 메타물질 관련 주제가 선정, UC Berkeley, UCLA, MIT 등 69개 기관이 참여하여 41개 과제 수행

- 2012년 기업 지원을 토대로 국립과학재단(NSF) 산하에 '메타물질연구센터'를 설립하고 메타물질 안테나 상용화를 추진 중이다.

EU

FP7('07~'13)의 Magnonics, Metachem, Nanogold, NIM-NIL 프로젝트가 진행되었고, 가상 국제연구센터인 Metamorphose Virtual Institute* 등에서 메타물질 연구 프로그램이 진행 중이다.

• Metamorphose Virtual Institute는 2007년 FP6 프로젝트(`04∼`08) 지원으로 설립된 유럽 메타물질연구협회, EU내 산업체의 메타물질 관련 신기술 제공역할

• 영국 : EPSRC(Engineering and Physical Research Council)에서 "Photonic Materials and Metamaterials" 분야에 총 165개 과제에 약 600억 원을 지원하였다.
• 독일 : German Centers for Excellence, METAMAT 등에서 관련연구를 선도 중이다.

중국

2010년 300여명의 전문인력이 투입된 민간 메타물질 전문연구기관 '광치연구소'를 설립하였으며, 2011년에는 20억 위안(약 3,462억원) 규모의 메타물질 산업기금을 조성, 운영 중이다.

국내

현재 국내 메타물질 연구는 기초연구 중심으로 한국기계연구원, ETRI 등의 출연(연)과 KAIST, 이화여대, 연세대, 서울대 등의 대학에서 주요 연구를 수행중이며, 최근 관련 기관간 국내외 협력 네트워크를 강화하고 있는 추세이다.

참고자료

• 〈메타 물질〉, 《위키백과》
• 〈메타물질〉, 《화학백과》
• 〈메타물질〉, 《나무위키》
• 〈전자기파 메타물질 기술개발 이슈와 시사점〉, 《한국연구재단》

같이 보기

• 빛
• 파장
• 굴절률

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