극한의 세공이 필요없는, 벽돌처럼 찍어내는 메타물질
투명망토, 초고해상도 이미징의 실마리가 되는 음굴절 구현 가능
□ 메타물질을 디자인하는 새로운 방법론을 구현, 모든 방향에서 메타성질이 구현되는 벌크 메타물질이 등장했다.
○ 한국연구재단(이사장 이광복)은 정인 교수(서울대학교 화학생물공학부) 연구팀이 한국세라믹기술원과 포항공과대학교 연구팀과 함께 음굴절하는 파장대를 정밀하게 조절할 수 있는 벌크 메타물질을 구현했다고 밝혔다.
□ 메타물질은 빛을 음굴절시키거나 빛의 파장보다 작은 초점을 만드는 등 자연계에 존재하지 않는 특이성질을 보이는 물질을 말한다.
○ 지금까지는 자연계에 존재하지 않는 물성을 유도하기 위해 매우 작은 금속이나 유전물질의 주기적인 배열을 이론적으로 계산하고 극한 난이도의 가공기술을 동원한 세공을 통해서만 메타물질을 구현할 수 있었다.
□ 메타물질의 구조가 성질을 좌우하기에 구조의 설계와 변형이 어려운 기존 합성방식으로는 다양한 메타물질의 구현과 성질 제어는 요원한 일이었다.
○ 특히 주로 2차원 박막 형태의 물질 위주로 3차원적 성질이 구현된 바 없고 양산할 수 있는 정도의 벌크 소재도 개발된 바가 없다.
※벌크소재 : 입자의 모든 방향으로 길이가 100 nm 이상이 되는 자연계에 일반적으로 존재하는 물질로 눈으로 관측할 수 있다. 수많은 원자들의 조합으로 이뤄져 입자의 크기 무관한 성질을 보인다. 대조적으로 100 nm 이하 크기의 나노소재는 구성원자들의 개수가 상대적으로 작아 일정 크기 보다 작을 때는 입자 크기에 따라 성질이 변한다.
□ 이에 연구팀은 박리화된 질화 보론과 흑연층이 자발적으로 교차적층되는 합성법을 개발하였고, 이들 분말을 벽돌처럼 찍어 잘라낸 벌크 소재가 3차원 모든 방향에서 하이퍼볼릭 메타물질 성질을 보임을 밝혔다.
※하이어볼릭 메타물질 : 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, 평면방향 뿐만 아니라 모든 방향으로 들어오는 빛을 음굴절 시킬 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, 나노입자도 볼 수 있는 초고해상도 이미징 등의 실마리가 될 수 있다.
□ 특수 나노세공기술이 필요 없는 손쉬운 벌크 소재 합성법의 실마리를 제공한 이번 연구결과를 토대로 연구팀은 앞으로도 구성요소들을 달리하여 다양한 메타물질을 합성하려는 계획을 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학 분야 국제학술지‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’온라인판에 11월 16일 공개되었으며, 정식출간본의 표지논문 및 Spotlights에 선정되었다.
○ 서울대학교 정인 교수와 한국세라믹기술원 김종영 박사 연구팀이 소재 합성과 실험적 관측을 공동 수행했고, 포항공대 노준석 교수 연구팀이 관측 결과의 이론적 시뮬레이션을 담당했다.
