Special 미래 첨단산업 핵심소재 및 선도기술 개발 동향(3)

메타물질의 제조 및 활용 기술

허가현_한국과학기술연구원 극한소재연구센터 책임연구원

1. 메타물질이란?

재료과학의 목표는 새로운 유용한 물질을 만드는 것이라고 할 수 있다. 지금까지의 재료과학은 여러가지 원소들을 조합하여 원자단위에서의 변화를 통해 새로운 특성을 발현시키는 소재를 만들어 내는 것이 주류였다. 그런데 최근 재료과학분야에서는 이러한 원자단위의 변화 대신 다른 접근방법으로 신소재를 만들어 내는 분야가 각광을 받고 있다. 기존에 존재하는 소재를 나노미터 혹은 마이크로미터 스케일에서의 구조화를 통해 새로운 특성을 발현시키는 방법으로 이와 같이 구현된 소재를 메타물질(metamaterial)1이라 한다. ‘Meta-‘(μετ?)라는 말은 그리스어로 ‘넘어서’와 같은 뜻이다. 메타물질은 기존 재료의 한계를 뛰어넘은 새로운 물질이라는 뜻을 가진다. 물리학적으로는 소재를 통과하는 파동의 간섭현상을 구조화로 조절하여 기존 소재에서는 나타나지 않는 특성을 구현하는 기술이라고 할 수 있다. 파동은 음파, 전자기파, 열을 포함하고 있어 다양한 응용에 활용하려 노력하고 있으며 최근에는 그 의미가 확장되어 기계적 특성을 조절하는 분야에도 활용되고 있다. 대표적인 응용분야로는 투명망토, 고효율 안테나, 음파 은폐 물질, 음파 증폭 물질 등이 있다.
　　이러한 메타물질을 구성하는 소재로는 주로 금속과 반도체소재가 이용되었지만 응용분야에 따라 세라믹소재와 고분자소재도 활발하게 연구되고 있다. 최근에는 위상 소재(Topological Material)와 메타표면(Metasurface)등으로 확장되고 있으며 다양한 응용분야가 개척되고 있다. 본문에서는 메타물질에 대한 소개와 제조기술 및 응용기술에 대해 소개하려 한다.
　　　　
2. 메타물질의 격자 간격과 파동 특성의 관계 및 나노구조화의 중요성
　　　　
메타물질은 기본적으로 격자 간격(Lattice Spacing)과 소재를 통과하는 파동의 파장이 소재의 특성과 응용분야를 결정하는 중요한 물리적 특성이다. 일반적으로 파동의 주파수()와 파장() 및 속도()의 관계는 다음과 같다.
　　　　
　　　　               (1)

　　파동의 속도는 매질에 따라 달라지며 광학 메타물질의 경우 매질을 구성하는 소재들의 굴절률이 대개 1에서 2 사이에 분포한다. 따라서 빛의 속도는  정도로 볼 수 있다. 여기서 는 빛의 속도로 이다. 앞서 언급했듯이 메타물질의 격자 간격 는 입사 파동의 파장의 1/2에서 1/10 정도여야 하며 대략 (2)와 같은 식을 얻어 낼 수 있다.
　　　　
　　　　          (2)

　　음향 메타물질의 경우 매질을 통과하는 음파의 속도가 중요하며 일반적으로 매질에 따라 편차가 매우 크다. 대표적으로 금속에서의 소리의 속도는 약 정도라고 할 수 있다. 또 파장과 물질의 격자 간격에 대해서는 을 활용하면, 식 (1)은 다음과 같이 바뀐다.
　　　　
　　　　       (3)

　　식 (2)와 (3)을 이용하여 입사 파동의 주파수와 메타물질의 격자 간격 간의 관계를 그림으로 표현하면 그림 1과 같다. 결국 이 세상에는 모든 주파수 범위에 대해 특별한 성질을 보이는 메타물질은 존재하기 힘들다. 이와 같은 이유로 고주파 영역에서 동작하는 메타물질은 얼마나 미세하게 만들 수 있느냐가 중요하다. 특히 그림 2에서와 같이 가시광선 영역에서 동작하는 메타물질을 제조하기 위해서는 메타물질의 격자 간격이 나노스케일 수준이 되어야 하기 때문에 광학 메타물질에서는 나노스케일에서의 구조화가 핵심 문제이다. 또한 열전과 같은 열에너지의 전달을 제어하는 메타물질 제조를 위해서도 나노스케일에서의 구조화가 중요한 문제이기 때문에 나노구조화의 중요성이 매우 높다고 할 수 있다.
　　　　
　　　　그림 1. 메타물질이 다루는 빛 혹은 소리의 주파수와 메타물질의 격자 간격과의 관계
　　　　
　　　　
　　　　그림 2. 메타물질의 격자 간격에 따른 제조 방식 및 응용분야
　　　　
3. 메타물질의 제조 방법

앞서 설명했듯 메타물질의 제조에서 가장 중요한 것은 소재의 구조화이다. 특히 다양한 응용분야에 따라 격자 간격이 결정되어야 하며 이에 걸 맞는 적절한 제조 방법이 필요하다. 하나의 구조화 기술로는 모든 영역의 격자 간격을 가지는 소재를 제조할 수 없기 때문이다. 여기에서는 몇 가지 대표적인 제조 기술에 대해 소개하려 한다.

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