해리포터의 투명망토, ‘스마트 메타물질’로 현실화

해리포터의 투명망토, 

‘스마트 메타물질’ 개발로 현실화

- Nature 자매지, “기존 메타물질의 한계를 극복한 신축성 있는 투명망토 구현” - 

국내 연구진이 스마트 메타물질을 이론적으로 제안하고, 스마트 투명망토를 실험적으로 구현하는데 성공하였습니다. 

* 스마트 메타물질(Smart Metamaterials) : 자연계에 존재하지 않는 특성을 갖는 인공물질로 탄성변형 등의 외부자극에도 특정 기능을 지속적으로 유지할 수 있도록 광학굴절률 값이 스스로 조절됨

연세대 김경식 교수가 주도하고 신동혁 박사과정생과 미국 듀크대 스미스 교수가 참여한 이번 연구는 교과부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구)의 지원으로 수행되었고, 세계 최고 과학전문지 ‘네이처’의 온라인 자매지인 ‘Nature Communications’ 최신호(11월 20일자)에 게재되었습니다. 또한 네이처 출판사로부터 “One size cloaks all”이라는 제목으로 언론에 보도할 주요 연구성과로 채택되었습니다. 

* 스미스(Smith) 교수 : 음굴절률 메타물질과 투명망토를 세계 최초로 개발한 연구자로서, 2009년부터 노벨물리학상의 유력한 수상후보로 거론되고 있음

사람이 물체를 볼 수 있는 것은 빛이 물체에 부딪혀 반사되어 눈으로 들어오기 때문입니다. 그러나 투명망토는 가리고자 하는 물체에 빛이 반사되거나 흡수되지 않고 뒤로 돌아가게 하여 물체가 마치 없는 것처럼 보이게 합니다. 

이처럼 빛이 물체에 닿지 않고 뒤로 돌아가도록 하기 위해서는 인위적인 일정한 굴절률이 필요한데, 이번 연구에 참여한 스미스 교수와 영국의 펜드리(Pendry) 교수는 세계 최초로 투명망토의 재료가 되는 메타물질을 만들었습니다.(‘Science’지, 2006.11) 그러나 지금까지 투명망토는 숨기려는 물체에 맞춰 설계했기 때문에 일정한 형상을 가지고 있어, 접거나 변형하면 투명망토의 기능을 잃을 뿐만 아니라, 작게 만들려면 공정이 어렵고 매우 긴 시간이 걸렸습니다. (미국 UC버클리 연구진에 따르면, 600나노미터 크기의 물체를 가릴 수 있는 투명망토를 제작하는데 일주일이나 걸립니다.) 

김경식 교수 연구팀은 스마트 메타물질을 자체 제작하여, 공상과학(SF) 영화에서처럼 마음대로 변형시켜도 성질을 계속 유지하는 신축성 있는 투명망토를 개발하였습니다. 연구팀은 굴절률뿐만 아니라 특정한 탄성을 동시에 만족시켜 투명망토를 압축해도 굴절률의 분포가 투명망토의 광학적 성질을 자동으로 만족시킬 수 있음을 이론적으로 증명하여, 지속적으로 숨길 수 있음을 보여주었습니다. 또한 압축성이 뛰어난 실리콘 고무 튜브 구조를 이용해 마이크로파 영역(10기가헤르츠)에서 투명망토를 실험적으로 검증하였습니다. 

이를 쉽게 설명하면, 구멍이 많은 스펀지를 손가락으로 눌렀을 때 압축된 표면 부근의 밀도가 유난히 커지는 분포를 갖게 되는데, 이 때 높은 밀도의 스펀지는 광학적으로도 높은 굴절률을 갖게 되므로, 스마트 메타물질 투명망토에서 필요한 굴절률 분포의 변화가 가능해집니다.

즉, 압축변형이 일어나도 실리콘 고무의 밀도 분포가 투명망토의 굴절률 분포를 자동으로 만족시키는 탄성계수와 굴절률을 동시에 갖도록 인위적으로 광-탄성 결정구조를 설계‧제작하여 ‘스마트 메타물질’을 처음으로 개발하였습니다. 

* 탄성계수 : 비례한도(탄성한도) 안에서는 응력과 변형은 정비례하는데, 그 때의 비례정수를 말함

김경식 교수는 “이번에 개발된 투명망토는 기존의 기술과는 달리 역학적 성질과 광학적 성질을 동시에 가지는데 앞으로 기계공학과 광학의 융합연구가 활발히 이루어져 탄성변형을 이용한 대면적의 투명망토 제작이 가능하게 될 것으로 예상된다 ”고 연구의의를 전했습니다.

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