영화 <해리포터> 시리즈 중 ‘해리포터와 마법사의 돌’에서 투명망토가 처음 등장한다. 이는 마법물 중 하나로, 주인공 해리는 투명망토(invisibility cloak)를 1학년 크리스마스 선물로 누군가에게부터 받았다.
위에서 볼 수 있듯이, 해리의 몸이 완전히 사라지고 마치 투명화된 것처럼 보인다. 온갖 마법이 등장하는 영화 내에서도 해리가 가진 투명망토는 죽음의 성물로 매우 큰 가치를 가지고 있는 마법물로 등장한다.
이렇게 영화 내에서도 최고의 마법물이던 투명망토가 현실이 되어가고 있다. 이러한 것들을 물리학에서는 메타물질(metamaterial)이라고 한다. 엄밀히 말하자면 메타물질은 자연계에서 나타나지 않는 특성을 가지도록 설계된 물질이다. 이번 기사에서는 이러한 메타물질은 무엇인지, 어떠한 종류가 있고 어떻게 연구과정을 거치는지 그리고 이들은 물리학계에서 어떻게 연구되고 있는지에 대해 알아보겠다.
메타물질이란?
메타물질은 파장보다 매우 작은 크기의 공간에 금속이나 유전물질로 설계된 인공 ‘단위 원자’의 주기적인 배열로 이루어진 물질로 자연계에서 가지지 못한 물리적 특성(물성)을 가지도록 설계된 물질이다.
여기서 접두어 ‘메타(meta-)’라는 단어 뜻은 ‘altered’, ‘changed’ 또는 ‘higher’, ‘beyond’라는 뜻으로 해석될 수 있다. 추가적으로 다음과 같은 의미를 내포하고 있다고 한다.
- Existing materials only exhibit a small subset of electromagnetic properties theoretically available.
- Metamaterials can have their electromagnetic properties altered to something beyond what can be found in nature.
- Can achieve negative index of refraction, zero index of refraction, magnetism at optical frequencies, etc.
이러한 단위 원자의 주기적인 배열은 특정 파장에서 자연계에 존재하지 않는 새로운 광학적 성질(유전상수 등)을 갖게 한다. 메타물질의 특성은 기본 물질의 특성이 아니라 그들의 구조에 의해 파생된다. 기존의 대부분의 물질을 구성하는 기본 원리인 화학적인 합성이 아니라 수학적이고 물리적인 원리에 의한 구조의 설계에 기반하고 있다는 점에서 물질계에서 매우 새로운 접근이라고 할 수 있다.
메타물질 연구의 역사
넓은 의미의 메타물질이라고 할 수 있는 가장 최초의 구조는 1989년 카이랄성 물질을 연구했던 Jagadish Chandra Bose에 의해 진행되었다. 또한, Karl Ferdinand Lindman은 20세기 초 인공 카이랄 미디어의 금속성의 나선으로 파동 간섭실험을 진행하였다. Winston E. Kock은 1940년대 말 메타물질과 유사한 성질을 가진 물질을 개발했다.
메타물질의 가장 중요한 핵심이라고 할 수 있는 음의 굴절률(negative refraction index)은 1968년 Victor Veselago에 의해 처음 이론적으로 제시되었다. Veselago는 이러한 물질이 빛을 전달할 수 있다는 것을 밝혔다. 이후 John Pendry는 오른손 법칙이 적용되지 않는 물질을 만들어내기 위해 현실적인 방법을 최초로 발견하였다. 1999년 Pendry는 축이 파랑 전파의 방향과 나란히 놓은 C 모양의 고리가 음의 투자율(permeability)을 가질 수 있음을 밝혀냈다.
2000년에 D. R. Smith, W. J. Padilla, D. C. Vier, S. C. Nemat-Nasser 그리고 S. Schultz는 금속 와이어 형태 구조물을 수평으로 쌓음으로서 메타물질이 음의 굴절률을 가질 수 있음을 실험적으로 구현해내었다.
다양한 메타물질 : 메타물질 완전흡수체
메타물질에는 다양한 종류가 존재한다. 위에서 말했듯이, 주의해야 할 것은 메타물질은 우리가 흔히 생각하는 화학적 결합으로부터 파생되는 물질이 아니다. 메타물질은 단위 원자의 주기적인 배열이다. 즉, 주기적인 배열이 다양한 특이한 물리적 특성을 유도해내는데 즉, 다양한 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 메타물질 완전흡수체(perfect absorber), 완전 반사체(perfect reflector) 등등 다양한 종류가 존재한다.
메타물질 완전흡수체의 경우, 기하학적인 패턴을 가진 단위 원자가 규칙적으로 배열되는 구조를 가지고 있는데, 보통 단위 원자는 금속층(metal layer), 유전체층(dielectric layer), 연속 금속층(continuous metal layer)로 구성되어 있다. 단위 원자의 구조적인 구조 및 반복적인 배열을 통해 임피던스 매칭이 일어나 전자기파가 흡수된다. 이는 메타물질이 전자기파를 완전 흡수하는 특이한 물성을 가지도록 한다.
메타물질의 연구과정
이제 연구자들이 메타물질을 어떻게 연구하는지 알아보자.
“Step 1. 메타물질 디자인 및 시뮬레이션”
먼저, 메타물질을 만드는 첫 번째 단계는 아래와 같이 단위 원자를 디자인하는 것이다.
이제 이들을 테스트해봐야 한다. 하지만, 설계되고 디자인된 모든 단위 원자에 대해서 제작공정을 거치고 이를 실험실에서 실험과정을 거치는 것은 굉장히 비효율적이다. 따라서, 이를 전자기파 시뮬레이션을 통해 먼저 디자인한 단위 원자의 물성을 평가한다. 시뮬레이션과 같은 경우, COMSOL Multiphysics 등 다양한 프로그램을 사용할 수 있으나, 주로 주파수(frequency) 도메인 솔버인 CST Microwave Studio를 일반적으로 사용한다고 한다. 이는 finite-integration technique(FIT) 기법을 통해 수치적으로 전자기파를 시뮬레이션한다. 여기서, FIT 기법인은 맥스웰 방정식(Maxwell’s equation)을 해석하는데 있어서 대다수의 시뮬레이션 프로그램이 택하는 미분형(differential form)이 아니라 적분형(integration form)을 바탕으로 수치적인 해를 구해낸다.
CST Microwave Studio에 대해서는 CST Studio Suite 홈페이지(https://www.3ds.com/ko/products-services/simulia/products/cst-studio-suite/)를 참조하길 바란다.
“Step 2. 메타물질 공정과정”
시뮬레이션 결과를 통해 판단했을 때, 우수한 물성이 예상되는 단위 원자 모델에 대해서는 제작공정에 들어간다. 공정과정은 일반적으로 아래를 따른다.
위의 그림과 같이 크게 5단계로 나눠질 수 있는데, 먼저 covering 후 exposing을 거친 후 developing한다. 그 다음, ething을 하고 cleaning을 진행한다. Expsoing시 마스크(mask)를 씌운 후 빛을 쬐어 원하는 메타물질 구조를 얻어내는 방식이다.
“Step 3. 실험과 분석”
이제 마지막으로 남은 과정은 실험이다. 실제로 전자기파 등을 쬐어봄으로서 메타물질이 우리가 원하는 특성을 가지고 있는지 확인한다. 이를 시뮬레이션 결과와 함께 그래프로 나타내어 피드백을 하고 단위 원자 디자인을 개선한다.
메타물질의 응용 및 현재 연구동향
메타물질은 현재 활발히 연구되고 있는 주제이다. 하지만 아직 해리포터에 나온 투명망토처럼 전자기파를 싹 흡수하면서 투과시키는 메타물질은 없다. 특정 영역대에서만 작용하는 메타물질은 존재하는데 물리학자들은 더 넓은 파장 영역대에서 전자기파를 완전히 흡수 혹은 투과 아니면 반사하는 메타물질을 구성하고 있다. 여기에 물체의 형상에 따라서 반응하는 스마트 메타물질 등도 등장하고 있다. 이러한 기술 등은 스텔스 기술 등 다양한 분야에 적용될 수도 있다.
메타물질의 한계를 보이는 연구 또한 등장하고 있다. 텍사스 대학교의 연구에 따르면 사람 몸이나 전차와 같은 큰 물체가 전파보다 훨씬 더 짧은 가시광선에 탐지되지 않게 은닉되는 것은 불가능하다고 밝혔다. 다른 연구에서는 특정 관측자한테 투명하게 보인다고 할지라도 움직이는 다른 관측자한테는 그 투명한 상이 일그러져 보일 것이라는 지적이 제기되었다. 이들은 투명망토가 설사 실용적인 수준에서 광대역일 수 있다고 하더라도 영화 <해리포터>에 등장하는 완벽한 투명함 보다는 <프레데터(Predator)>의 경우에 더욱 가까울 것이며 이동을 할 때에 은닉된 대상은 일그러진 상으로 보일 것이라고 한다.
이러한 전자기파를 다루는 메타물질(광 메타물질) 외에도 음향 메타물질도 등장하고 있다. 이러한 기술은 40 kHz에서 80 kHz에 이르는 주파수 대역에서 시연되는 등 계속 발전하고 있다. 이 또한 빛을 이용한 메타물질에서와 비슷한 원리에 근거한 연구이다. 이러한 음향 메타물질은 최근 심각한 사회 문제의 일부로 대두되었던 층간 소음 문제를 해결할 수 있을 것으로 보여진다. 층간소음 문제 외에도 잠수함에도 이를 적용할 수 있다. 잠수함과 같은 경우 음파를 통해 찾아내는데, 수중 음파 탐지기(sonar)에 아군의 잠수함을 숨겨주는 역할을 할 수도 있다.
기사를 마치며
메타물질은 크기에 따라 가시광선 파장부터 마이크로파 파장영역까지 에너지, 디스플레이, 광통신 등 다양한 응용분야에서 활용될 수 있는 핵심기술로 전세적으로 메타물질 기술의 원천 기술을 확보하고자 치열한 개발 경쟁을 벌이고 있다. 이에 현재까지도 발전가능성이 가능한 유망한 분야이다. 사실 물리학에 얼마 남지 않은 연구분야 중 하나이기도 하다.
이러한 메타물질은 앞서 설명하였듯이, 군사적으로뿐만 아니라 다양한 분야에서 충분히 악용될 수 있다. 이렇다는 점에서 메타물질은 양날의 검과 같은 존재라고 할 수 있다. 메타물질이 인류에게 번영과 발전을 가져다줄지, 아니면 지옥을 가져다줄지는 물리학자들에게 달려있다.
감사의 글
본 기사작성에 큰 도움을 주신 한양대학교 석학교수이자 푸단대학교(Fudan Univ.) 석좌교수이신 이영백 박사님께 이 자리를 빌려 감사인사드립니다.
홍원기 학생기자│Physics│지식더하기
참고자료
[1] The Science Times : 투명망토 가능할까, 메타물질의 비밀
[2] J. Y. Rhee, Y. J. Kim, C. Yi, J. S. Hwang, and Y. P. Lee, J ELECTROMAGNET WAVE, 1-34 (2019)
[3] J. Y. Rhee, Y. J. Yoo, K. W. Kim, Y. J. Kim and Y. P. Lee, J ELECTROMAGNET WAVE, 28(13) (2014)
[4] Y. J. Kim and Y. P. Lee, Study on electromagnetic properties of perfect absorbers based on metamaterials (2018) (한양대학교 박사학위논문)
[5] 서민아 외, 2014 KISTI 미래유망기술 10선 : 메타물질 응용(Metamaterial Application), KISTI
[6] 홍성훈 외, 4차 산업혁명을 선도할 메타물질 완전흡수체 기술동향, ETRI (2017)
[7] 사이언스온 : ‘해리포터 투명망토’ 구현엔 “물리적 근본 한계 있다”
[8] The Science Times : 투명망토 가능할까, 메타물질의 비밀
[9] Phys.org : Invisibility cloaks can never hide objects from all observers.
[10] Balamati Choudhury, Metamaterial Inspired Electromagnetic Applications, Springer (2017)
첨부 이미지 출처
[1] NewsVision e : [4차 산업혁명 핵심소재-메타물질④] 스텔스· 태양광 등 다양한 분야 활용
[2] 영화 <해리포터> 시리즈
※ 참고자료와 중복되는 출처는 표기하지 않았음
첨부 동영상 출처
[1] YouTube
