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.
