▲ 새로운 메타물질을 제조하는 공정에 대한 모식도 .

국내연구진이 기초 재료에 의해 결정되던 굴절률의 정밀한 조절이 가능한 소재를 개발했다. 향후 가시광선 움직임 조절로 태양전지, LED 등 디스플레이 성능 향상 기대된다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 지난 7일 김상욱 교수(한국과학기술원) 연구팀이 분자 간의 힘을 이용하여 나노 미터 수준에서 소재의 원하는 모양과 패턴을 제조할 수 있는 분자조립제어 원리를 기반으로 빛의 굴절률을 광범위하게 조절할 수 있는 메타소재를 개발하는데 성공하였다고 밝혔다.

굴절률의 설계는 태양전지나 디스플레이 같은 광전자 소자의 성능과 직결된다. 굴절률을 임의로 조절하면 LED에서 디스플레이 내 발생하는 빛을 효율적으로 나오게 하거나, 많은 양의 빛이 태양전지내 흡수가 되어 에너지 효율을 높일 수 있기 때문이다.

또한 음의 굴절률을 투명망토를 가능케 하는등 신소재분야로 다양한 연구가 진행되고 있지만 종전까지 굴절률은 일반적으로 특성 재료 선택에 따라 결정된다고 여겨졌다.

이에 연구진은 굴절률을 구성하는 두 요소인 유전률과 투자율을 적절히 조절해 굴절률도 조절에 나섰다.

연구팀은 분자조립제어 기술을 통해 금속 나노입자간의 간격을 수 나노미터 수준으로 정밀하게 조절한 메타소재를 설계하였다. 이 물질을 통해 가시광선이 5 이상의 높은 굴절률을 가질 수 있음을 세계 최초로 증명하였다. 자연계에 존재하는 일반적인 물질의 평균 1~2 정도의 굴절률에 비해 높다.

이번에 개발된 메타소재의 금속 나노입자 간 간격은 5nm 이하로 균일해 굴절률의 정밀한 조절이 가능하다. 굴절률은 유전율과 투자율의 곱에 제곱근으로 표현되는데, 이 두 변수 중 하나를 통제하고 나머지 변수를 조절한다면 굴절률의 광범위한 조절이 가능하다.

이번 연구에서는 분자조립제어 기술을 통해 나노미터 수준의 금속 입자를 형성해, 투자율의 변화를 최소화하였고, 금속나노입자 간의 간격을 조절함으로써 전자장의 세기를 조절해 다양한 굴절률을 확보할 수 있음을 증명했다. 그리고 분자조립제어 기술을 통해 가시광선 파장보다 휠씬 작은 나노입자를 형성하였기 때문에 굴절률의 조절 범위를 가시광 영역까지 광범위하게 확대할 수 있었다.

특히 수축 공정을 통하여 매우 근접하게 배열된 금속나노입자의 경우, 매우 강한 전기장이 유도되어 가시광 영역에서 매우 높은 양의 굴절률을 가질 수 있음을 증명했다.

연구진은 “이번 연구는 넓은 파장대에서 광범위하게 물질의 굴절률을 조절할 수 있는 새로운 개념 제시와 가시광선 영역대 빛을 활용하는 태양전지, LED와 같은 광전자소자 내 빛의 진행과 흡수 등을 조절함으로써 성능 향상 기여한다”고 밝혔다.

이어 “더욱 낮은 파장대에서 같은 원리가 적용된다면 보다 높은 해상도를 가지는 현미경, 반도체 장비 개발 등에 원천적 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다”고 전했다.

한편, 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 및 나노·소재원천기술개발 사업의 지원으로 연구를 수행하였으며, 이 연구는 네이처 커뮤니케이션스 9월 29일자 온라인 판에 게재됐다.