헬로티 함수미 기자 |

한국세라믹기술원 김종영·이은실 연구팀과 서울대학교 정인 교수, 포항공과대학교 노준석 교수 연구팀은 전통적인 세라믹 소결공정을 이용한 메타물질의 대량 제조법과 물성을 제어하는 기술을 개발하였다.

세라믹기술원과 서울대는 소재를 개발했고, 포항공대는 관측 결과의 이론적 시뮬레이션을 담당했다.

메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특이성질을 보이는 인공물질을 말하며, 이 물질을 활용하면 투명망토나 슈퍼렌즈, 스텔스 기술 등에 적용이 가능하다.

지금까지 메타물질은 이론적으로 계산된 특정 소재를 깎거나 2차원의 나노두께로 쌓아올린 구조로 만드는 등 첨단 나노가공기술이 필요함에 따라 극한의 난이도는 물론, 양산 가능한 크기의 벌크소재로 개발된 바가 없다.

특히, 메타물질은 구조가 물성을 결정하기 때문에 물성에 대한 정밀 제어가 거의 불가능했기에 메타물질 개발의 결정적 장애였다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘하이퍼볼릭 메타물질’을 제어하여 메타물질의 대량 제조법과 메타물질의 물성을 제어하는 기술을 개발하였다. 하이퍼볼릭 메타물질은 굴절율이나 유전율과 같은 광학적 성질이 방향에 따라 달라지는 물질로 음굴절과 같은 자연계에 존재하지 않는 광학 현상을 구현할 수 있는 메타물질이다.

개발된 소재는 한 방향으로 적층되는 기존 메타물질과 달리, 표면이 벗겨진 질화보론(BN)과 흑연층이 스스로 교차되어 쌓이는 구조로 설계하였고 세라믹 소결 방식의 고온·고압으로 압축하여 벽돌처럼 찍어내는 방법으로 제조가 가능하다.

또한, 최초로 수평 및 수직 방향 등 모든 방향에서 모든 입사각의 빛을 음굴절시킬 수 있음을 확인하였으며, 제조된 벌크 소재는 자유롭게 잘라서 쓸 수 있다.

특히, 개발된 메타물질은 질화 보론과 흑연을 섞는 비율과 두께 등이 물성을 결정하므로 메타물질의 화학적 조성비와 두께에 따라 음굴절을 보이는 파장대의 정밀제어가 가능하다.

한국세라믹기술원 김종영 박사는 “꿈의 소재인 메타물질을 나노가공기술 없이 일반적인 실험실에서 쉽게 대량으로 제조할 수 있으며, 복잡한 구조의 계산이 필요 없는 화학조성으로 제어가 가능한 신기술“이며, “지금껏 존재하지 않았던 기술 구현의 초석이 되어 상상속의 기술이 실제 구현될 수 있다”고 말했다.

한편, 이번 연구의 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행되었으며, 화학분야 국제학술지인 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’의 12월호 표지논문 및 Spotlights에 선정되었다.