Special 미래 첨단산업 핵심소재 및 선도기술 개발 동향(3)

음굴절하는 파장대를 정밀하게 조절할 수 있는 최초의 벌크 하이퍼볼릭 메타물질

변세진_서울대학교 화학생물공학부 석박사통합과정
정인_서울대학교 화학생물공학부 부교수

1. 서론

메타물질은 인공적으로 제조된 자연계에 존재하지 않는 물성을 가지는 물질로 차세대 혁신기술로 주목받고 있다. 메타물질로 구현 가능할 것으로 예상되는 대표적인 기술로는 투명망토의 핵심 원리인 음의 굴절,1-2 빛의 파장보다 작은 나노 입자도 관측할 수 있는 초고해상도 이미징,3-6 열 방사 제어 기술7-9 등이 있다. 메타물질의 물성은 빛의 파장보다 작은 메타물질의 단위구조와 빛의 상호작용에 의해 발생한다.10 지금까지 메타물질을 구현하기 위해서는 빛의 파장보다 작은 단위구조를 이론적으로 계산하고, 첨단 가공기술을 동원해 그 구조를 재현해야만 했다. 이렇게 메타물질을 제작하는 것은 노동 집약적이며 비용이 많이 들고 기술적으로 제한적이었기 때문에, 메타물질 연구의 궁극적인 목표는 제작하기 쉽고 성질을 제어할 수 있는 새로운 메타물질 시스템을 개발하는 것이다.
　메타물질에 대한 초기 연구들은 음의 유전율(permittivity, ε)과 음의 투자율(permeability, μ)을 모두 보유하는 구조에 집중되었다.2 이러한 구조는 음의 굴절을 나타내기 때문에 서브파장(subwavelength) 광학에 매우 유망하기 때문이었다. 최근 메타물질 연구의 방향은 구조를 단순화하면서도 특이한 물성을 보이며, 기능 조절이 가능한 메타물질의 개발로 옮겨갔다. 하이퍼볼릭 메타물질은 상대적으로 단순한 구조와 특이한 전자기 물성으로 인해 이러한 연구에 매우 적합한 후보 물질군으로 떠올랐다.11 하이퍼볼릭 메타물질의 특이한 전자기적 물성은 소재의 이방성 구조에서 기인한 열린 쌍곡선 형태의 분산관계에 의해 발생한다. 분산관계란 매질의 특성 파라미터(유전율, 투자율 등)가 파동의 파장, 주파수에 따라 어떻게 달라지는지 알려주는 요소이다. 강한 구조적 이방성으로 인해 하이퍼볼릭 메타물질의 유전율 혹은 투자율 텐서의 구성 요소는 결정구조 내 평면과 수직한 방향(ε⊥)과 수평한 방향(ε∥)으로 존재하며, 서로 반대 부호를 갖는다.11 (ε⊥>0, ε∥<0 혹은 ε⊥<0, ε∥>0) 하이퍼볼릭 메타물질의 이러한 이방성은 초고해상도 이미징,4, 12-13 음의 굴절,14-16 향상된 방출 제어,8, 17 위상 광자학18-19 등 다양한 응용 분야에서 활용되고 있다.
　최근 원소 비스무트, 흑연 및 육방정계 질화 붕소 (h-BN) 등 몇 물질이 천연적 하이퍼볼릭 메타물질임이 밝혀졌다.20-26 그러나 이러한 하이퍼볼릭 메타물질들의 과학적, 기술적 중요성에도 불구하고, 소재들의 특성을 관찰하고 사용하는 것은 기술적으로 어려운 경우가 많았다. 거의 대부분의 보고된 하이퍼볼릭 메타물질 시스템은 나노미터 단위 두께의 2차원 박막 형태이며, 물성 제어를 위해서는 나노미터 단위의 복잡한 제조 기술이 필요했다.22, 27-28 벌크 형태의 하이퍼볼릭 메타물질 시스템은 아직까지 보고된 바 없으며, 따라서 지금까지 보고된 물성들은 전부 평면 내 방향으로 측정되었고 평면 외 방향의 물성은 실험적으로 관찰된 적이 없었다.
　본 연구팀은 센티미터 단위의 벌크 하이퍼볼릭 메타물질을 설계하고 이를 실제로 구현하는 새로운 합성 전략을 세계 최초로 개발하였다.29 본 연구팀이 개발한 합성 전략은 (1) 다양한 두께로 박리된 육방정계 질화 붕소 및 흑연을 기본적인 빌딩 블록으로 하며, (2) 이들 사이의 정전기 반응을 이용해 자발적으로 형성되는 나노 하이브리드 이종구조체를 합성한 후, (3) 고온, 고압 분위기에서 분말을 압축하는 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering)을 통해 육방정계 질화 붕소와 흑연/그래핀이 교대로 나노 층을 이루고 있는 벌크 상으로 제작한다. 본 연구팀이 개발한 새로운 벌크 하이퍼볼릭 메타물질 시스템은 다음과 같은 점들로 인해 기존의 하이퍼볼릭 메타물질 시스템과 차별화된다. 첫째, 하이퍼볼릭 메타물질을 벌크 형태로 구현한 최초의 시스템이며, 제작 과정이 간단하고 대량생산에 용이한 방식이다. 둘째, 벌크 상에서도 이방성이 남아있기 때문에 평면 내 물성 뿐만 아니라 기존에 보고되지 않은 평면 외 물성까지 측정이 가능하다. 셋째, 물질의 구조를 통해 물성을 제어했던 기존 메타물질 시스템과 달리 빌딩 블록의 두께와 혼합 비율, 즉 물질의 구성 성분을 이용한 독특한 방식으로 하이퍼볼릭 물성을 미세 조정할 수 있다. 본 연구팀이 개발한 새로운 합성 전략은 복잡한 제조 공정을 사용하지 않으면서 다양한 벌크 메타물질을 설계하고 생산할 수 있는 새로운 플랫폼 역할을 하고, 메타물질의 상업적 응용에 대한 전망을 크게 높일 것으로 기대된다.
　
2. 결과 및 토의

2.1 3차원 벌크 하이퍼볼릭 메타물질의 합성 전략
본 연구팀은 새로운 벌크 하이퍼볼릭 메타물질 시스템을 개발하기 위해 h-BN과 흑연을 기본 재료로 선정하였다. 두 물질을 기본 재료로 선택한 이유는 다음과 같다. 첫째, 두 물질은 격자 상수가 유사한 육각형 단일 원자 격자 층이 반 데르 발스 결합(van der Waals bond)에 의해 연결되어 있는 층상형 물질로 적절한 공정을 통해 층 분리가 가능하며, 각 층의 계면에서 이종 구조 형성이 가능하다. (그림 1) 둘째, h-BN은 중 적외선에서 장 적외선까지의 스펙트럼 범위에서 쌍곡선 분산관계를 보이는 것으로 잘 알려져 있다.30 셋째, 흑연과 흑연에서 파생된 구조체들은 하이퍼볼릭 메타물질의 쌍곡선 분산 관계를 조절할 수 있다.24
 

 본 연구팀은 우선 h-BN과 흑연을 잘 정의된 두께의 나노 구조체들로 박리하였다. 박리된 나노 구조체들은 두께에 따라 h-BN 나노 플레이크(BNNF, ~80 nm), h-BN 나노 시트(BNNS, ~16nm), 박리된 흑연(EG, ~16nm), 소수 층 그래핀(FLG, ~7nm)으로 분류되었으며, 벌크 하이퍼볼릭 메타물질의 빌링 블록으로 사용되었다. 각 빌딩 블록의 두께와 혼합 비율은 벌크 하이퍼볼릭 메타물질의 구조와 기능 조절의 핵심요인으로 작용하였다.
 기존에 알려진 방법으로는 h-BN과 흑연과 같은 반 데르 발스 층상 물질들을 혼합하여 벌크 형태로 만드는 것은 어려운 일이었다. 이에 본 연구팀은 빌딩 블록들에 인위적으로 주어진 전기적 상호 작용을 통해 자발적으로 형성되는 나노 하이브리드 이종구조체 분말을 합성한 후, 그 분말들을 고온, 고압에서 압축하여 벌크 샘플을 얻는 합성 방법을 개발하였다. 우선, 각 BNNF/BNNS와 EG/FLG 빌딩 블록들은 이온성 계면활성제인 소듐 도데실벤젠설포네이트(sodium dodecylbenzeneslphonate, SDBS)와 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI)과 각각 반응하여 흰색과 검은색 현탁액을 형성하였다. 제타포텐셜 측정 결과, 각 빌딩 블록의 표면은 각각 음전하와 양전하를 띄었다. (그림 2. (a), (b)) 그 다음, 서로 반대 전하를 띄는 빌딩 블록 쌍, 즉 BNNF/EG와 BNNS/FLG 쌍의 현탁액을 다양한 비율로 혼합하자 정전기 상호 작용에 의해 자발적으로 이종구조의 나노 하이브리드 침전물을 형성하였다. (그림 2. (c)- (e)) 형성된 나노 하이브리드 이종구조체들은 빌딩 블록들이 교대로 반복되는 형태였으며, 분말 샘플을 고온, 고압 하에서 빠르게 소결 시키는 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)을 통해 벌크 샘플로 얻어졌다. (그림 2. (f)-(g))

그림 2. 벌크 하이퍼볼릭 메타물질 합성 전략의 모식도

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