연대연구팀 투명망토 기술 화제
방진·군사기술의 혁명 불러올 것

자연은 과학기술의 진보를 위한 아이디어의 보고이다. 가령 생체모방 기술은 생명체의 기능과 구조에서 아이디어를 얻는다. 그런데 현대의 초정밀 가공기술 덕분에 과학자는 자연에서는 전혀 존재하지 않는 새로운 물질을 창조할 수 있게 됐다. 메타(meta)물질도 그 중 하나이다. 메타는 그리스어로 ‘초월’을 의미하는데, 이로 유추할 수 있듯 메타물질이란 인공적으로 설계해 만든 물질을 일컫는다. 최근 빛을 다루는 광학 분야에서 메타물질 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 메타물질에서 나타나는 새로운 과학 현상뿐만 아니라 이를 다양한 분야에 응용할 수 있는 무궁한 가능성이 과학자의 흥미를 끌고 있는 것이다.

고재현 한림대 교수·물리학

빛의 진행 방향이 꺾이는 굴절은 일상생활에서 매우 친숙한 광학 현상이다. 물컵에 담긴 젓가락이 구부러져 보인다거나 렌즈로 빛을 모으는 현상 등이 두 물질이 만나는 계면에서 생기는 굴절 현상의 예이다. 이때 빛이 꺾이는 정도를 광학에서는 ‘굴절률’로 나타낸다. 굴절률이 클수록 빛이 더 많이 꺾이게 된다. 굴절 현상은 물질을 구성하는 수많은 원자가 빛과 상호 작용하는 과정에서 발현된다. 따라서 물질의 구성단위를 인위적으로 만들어 조절한다면 우리는 굴절률을 마음대로 조절해 빛을 통제할 새로운 가능성을 얻을 수 있다. 이에 따라 과학자는 머리카락 굵기의 수백분의 일 정도에 불과한 작은 구조물을 주기적으로 배치해 메타물질을 만들고 빛을 다루고자 한다.

메타물질이 적용될 분야 중 하나로 ‘투명망토기술’이 있다. 우리가 물체를 지각할 수 있는 것은 주변의 조명광이나 태양빛이 물체의 표면에서 반사된 후 우리 눈에 들어오기 때문이다. 그런데 물체의 주변 공간에 메타물질을 잘 설계해 배치하면 이 공간을 지나는 빛은 물체에 닿지 않고 주변을 에둘러 돈 후 원래의 방향을 따라 진행하기 때문에 외부에서는 물체를 인식하지 못하게 된다. 이처럼 물체를 빛으로부터 감추기 위해서는 이를 감싸는 투명망토 물질의 굴절률이 특수한 분포를 유지해야 하는데 메타물질은 이런 면에서 이상적인 물질이다.

지금까지 연구된 투명망토는 형태가 고정돼 있는 물체에만 기능하는 한계를 보였다. 그런데 얼마전 연세대 연구팀은 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션’에 스마트 메타물질을 활용한 투명망토 기술을 발표해 화제가 됐다. 이 연구팀은 투명망토로서 신축성이 뛰어난 실리콘 고무튜브를 규칙적으로 배열한 메타물질을 활용했는데 이 물질은 압력에 따라 변형돼도 투명망토가 가져야 하는 특수한 굴절률 분포를 만족하도록 설계됐다. 이러한 투명망토 기술이 아직까지는 사람의 눈으로 인지하지 못하는 마이크로파 대역의 전자기파를 대상으로 연구돼 왔다. 이를 가시광선 영역에까지 확장하기 위해서는 메타원자의 크기를 훨씬 더 작고 정교하게 만듦과 동시에 메타물질 내 빛의 손실을 획기적으로 줄일 필요가 있다.

메타물질을 활용하면 부피가 있는 물체를 매끈한 평면으로 보이게 한다거나 어떤 물체를 전혀 다른 물체인 것처럼 보이게 하는 착시광학을 구현할 수도 있다. 이러한 광학기술은 군사기술 분야에 활용 가능하다. 전자기파뿐만 아니라 음파나 지진파에 기능하는 메타물질의 연구도 활발하다. 가령 지진파에 투명망토 역할을 하는 인공구조물이 개발된다면 이 물질로 둘러싸인 건축물은 지진파가 에둘러 지나갈 수 있으며 이는 방진기술 분야에 일대 혁명을 가져올 것으로 기대된다. 메타물질의 실질적인 실용화까지는 상당한 기간이 걸릴 것으로 예상되지만 이것이 우리 앞에서 펼쳐 놓을 화려한 과학의 마술이 자못 기대된다.

고재현 한림대 교수·물리학