Update2024.04.29 (월)
투명망토 실현 인공소재 ‘메타물질’
■ 기술의 개요
◇ 기술의 개념 및 원리
메타물질(meta material)의 정의는 폭넓게 자연계에 존재하지 않는 물성을 가지는 가공된 ‘인공적인 물질’을 말하며 다른정의로는 물질A와 B가 구조적으로 섞여서 나타나는 ‘복합물질’의 ‘유효물성’이 물성 A와B의 합으로 나타나지 않을 때를 이른다. 따라서 넓은 정의를 사용하는 경우 합금, 광결정 등 같이 잘 알려진 물질도 메타 물질 범주에 포함된다.
좀더 정교하고 일반적인 메타물질의 정의는 ‘메타원자’(meta-atom)으로 구성된 물질을 칭함이 타당하다. 메타원자는 목적에 따라 설계된 내부구조를 가지며 그 구조와 크기, 주기적(periodic)혹은 준주기적(quasi-periodic)배열 등에 따라 다양한 유효물성을 발현한다.
예를 들어 전자기파메타원자를 설계해 적절히 배열하면 통상적으로 얻기 힘든 음의 굴절률이라 극한 굴절률을 가진 광학적 cloacking, 즉 투명망토를 구현할 수 있다.
참고로 메타원자의 크기는 파장보다 상당히 작으며(~0.1정도면 충분) 단순 굴절률보다 전자기파의 근본 물질(유전율, 투자율)제어를 위해 설계된다.
메타물질 원리 설명을 위해서 현재 가장 연구가 활발한 전자기파 물질을 예로 설명하겠다.Maxwell 방정식 안에 들어있는 기본적인 물리량은 다음과 같다.
파동함수로는 전자장E, 자기장B, 전자기장의 source로 전류 J 와 전하 p, 그리고 물질 내에서 전기장과 자기장에 대한 반응을 나타내는 유전율ϵ과 투자율 μ
이때 전자파의 굴절률 n은 의 형태로 주어지며 매질내에서의 빛의 속도와 제반전파(propagation)성질을 결정한다. 진공에서는 ϵ 과 μ이 각각 1로 굴절률값 n도 1이다. 하지만 물질 내부에서는 ϵ 과 μ은 1이 아닌 다른 값을 가진다. 이는 간단한 모델로 설명이 가능하다.
아래 그림은 단진동 원자 model상에서 외부전기장과 자기장에 대한 전자의 반응을 보여준다. 외부에서 주파수 ω의 전기장이 원자에 인가되면서 전자는 평형위치에서 벗어나 흔들리게 된다. 이때 전자질량과 원자의 유효 용수철계수로 결정되는 공명 주파수 부근에서
전자파는 흡수되거나 위상차를 겪는다. 이는 잘알려진 단진동자의 공명 흡수 스펙트럼 및 위상 스펙트럼과 동일한 형태를 지니는데, 이때 인가된 driving force 주파수 ω와 의 상대적인 위치에 따라 out-of-phase motion이 가능해지는게 중요하다.
즉, 전기장E에 대한 전자의 반응 P(=)는 E의 주파수와 원자의 공명주파수 사이의 관계에 따라 결정된다. 이때 전자파에 대한 전자 원자 반응(물성)의 비례상수인 ϵ은 원자의 구조나 입사되는 전자파의 주파수에 따라서 다른 값을 가질 수 있게 됨을 의미한다. 따라서 메타물질의 관점에서는 적절한 전기적 자기적 공명구조를 설계해 메타물질의 작동(operation) 주파수에서 우리가 원하는 ϵ 과 μ 값, 그리고 을 얻어내는 것이 최종 목표이다.
메타원자의 기본구조로는 ϵ 값의 조절을 위한 금속나노선과 Pendry가 제안한 μ 조절을 위한 금속환형공진기(ring resonator)구조가 대표적이다. 이를 함께 배치하면 앞그림에서보이는 음의 굴절률(n<0) 구현도 가능하다.
목적·공정조건등에 따라 보다 다양한 형태의 메타물질과 응용사례 연구 성과가 계속해서 발표되고 있다. 또한, 이상에서 기술적 원리의 해설을 위해 예시한 전자파 메타물질 외에도 최근에는 음향파, 지진파, 복사파, 탄성파, 등에 대한 메타물질 연구가 활발하다. 기술 실현 위해 나노공정 융합 협업 必
美·中·EU 대규모 연구 활발
◇ 기술의 활용
일반적으로 메타물질의 설계와 구현은 전자공학·물리학·광학·음향학·전자기학·고체이론·안테나공학·재료과학·나노가공 또한 병렬연산을 통한 대규모 전자장 수치 해석에 이르는 융합적 지식과 협업을 필요로 하는 경우가 많다.
더불어 기존 자연계에 존재하지 않은 인공적인 물성을 메타원자를 사용해 구현하는것 이므료 응용에 있어서도 폭넓은 분야에 걸쳐 존재하지 않았던 기술을 가능하게 한다. 음(-)의 유전율, 투자율, 음(-)의 밀도, 탄성률, 영(0)굴절률과 고굴절 메타물질등을 이용해 군사적 목적을 위한 스텔스 기술, 방재 목적을 위한 지진파 차단기술, 통신응용의 전자파 차단, 생체용 초고해상도 센서, 초음파 안전진다, 고성능 차음 기술, 초박막 광학렌즈, 광대역 태양 전지 응용 등이 연구되고 있다.
■기술난제
◇ 대역폭(operation bandwidth) :공진기 공명대역 부근에서만 메타물질의 물성이 특화 될 수 있기 때문에 이를 극복하기 위해서는 서로 다른 공명주파수를 갖는 여러 공진기들을 함께 사용하거나, 비공명 구조의 메타원자를 사용하는 기술들이 연구되고 있다.
◇손실(loss): 전자파 메타 물질의 재료로 주로 사용되는 금속을 한 예로 들면, Ohmic loss에 의한 전자파 손실은 메타원자의 공명특성을 열화 시킬뿐만 아니라 설계된 메타물질의 손실을 수반한다. 이를 극복하기 위해 금속보다 손실이 적은 highly doped semiconductor 같은 전도체 물질을 개발하거나 손실이 적은 유전체 기반의 메타 원자를 설계하는 기술이 연구되고 있다.
◇설계(design) : 지금까지 메타물질 설계 방식은 대부분 trial-error/ retro-fit 방식이었다. 그러나 이런 방식은 통함된 시각에서의 top-down 설계가 불가능해, 실현가능한 물성의 영역을 워닐적으로 파악 구현하기가 어렵다. Full-/semi-analytic한 방식으로 목표 물성(예를 들어 전자파 메타물질의 ϵ , μ 음향메타물질의 p,B)값을 주는 메타원자의 내부구조를 도출해 나는 것은 메타물질 구현에 있어 걸림돌은 아니지만 중요한 과제로 향후 실현이 가능할 것으로 보인다.
◇가공(fabrication) : 등방성을 가지는 메타물질이 구현될 경우 응용범위가 더욱 확대된다. 하지만 3차원 구조의 메타물질, 더불어 파장이 작은 가시광 영역의 메타원자에서 사용되는 수십nm 크기의 구조체를 원하는 모양대로 가공하는 것은 현재 나노공정 기술에서 쉽지 않다.
현재 나노공정을 위해 electron-beam lithography나 FIB(Focused Ion Beam)등이 사용되고 있으나, 대면적 공정 기술과 더불어 더 높은 해상도의 구조물 가공을 위해 기술개발이 필요하다. 최근에는 self-sassembly 방식의 조립기술, nano-imprint 방식의 기술들이 이러한 목적으로 시도되고 있다.
■기술 실현 시기
현 상태에서 파장이 긴 파동 (음파, 마이크로파, THz파)들을 취급해 메타원자 구조체를 쉽게 만들 수 있는 또한 메타물질 분야, 매질의 손실이 크게 중요하지 않은 응용 분야(흡수재, 차단재, 파동집속기술)에서의 기술 실현은 어렵지 않다. 이런 분야는 향후 수년내에 응용이 가능한 기술들이 선을 보일 것으로 전망된다.
한편, 파장이 상대적으로 짧아 나노구조체를 사용해야 금속 속실도 극복하는 가장 난이도 높은 가시광대역 메타물질의 완벽한 구현 시기는 나노공정의 개발진도와 긴밀한 관계를 가진다. 그러나 무어(Moore)의 법칙에 따라 반도체 가곡 선폭이 줄어드는 추세를 고려하면 가시광 대역 메타물질 분야에서도 향수 십년을 전후로 유망한 성과가 나타날 것으로 예상된다. 참고로 가공선폭과 관련해 지금보다 진보된 He-ion 등을 이용한 FIB(Focused Ion Beam)또는 ALD(Atomic Layer Deposition) 기술 등을 사용하면 1nm 급의 해상도를 갖는 구조물을 실험실 수중에서 가공하는 것이 가능하다.
■산업화 난제 및 산업적 실현시기
산업화 난제는 각 기술별로 상이할 것으로 판단된다. 대규모 생산이 필요하지 않으며 원가나 수요에 민감하지 않은 특수한 응용분야와 구조체가 큰 메타물질의 경우(마이크로파 협대역 스텔스 기술)은 수년내 산업화가 가능하다.
반면 대량생산과 나노구조기술이 필요한 경우(광대역 태양전지를 위한 완전흡수, 전도성 메타물질)에는 실험실 수준을 벗어난 대면적, 저가 가공기술의 구현과 사용가능한 원천소재의 공급, 대체재(화석연료)존재 여부 및 가격 등에 따라서 산업화 여부와 그 시기가 영향을 받는다. 파장이 긴 통시대역 안테나는 이미 2009년 Netgear, Rayspan, LG(chocolate phone)등에 의해 상용화 돼있다. 메타물질 안테나는 개발하는 Kymeta라는 회사는 빌게이츠 등의 투자를 받기도 했다.
■응용분야
◇투명망토
메타 물질의 유효굴절률을 조정해 전자파·음파 등이 가리고 싶은 물건 주위의 메타물질을 따라 전파해 나가도록 하면, 관찰자는 숨겨진 물체가 없는 듯 느끼게 된다. 이 기술을 Radar·Sonar·Cell phone·무선 인터넷·열상 카메라·야간투시경 등에 대한 스텔스 기술로서 적용 가능하다. 최근 이르러서는 Quasi-orthogonal 좌표변환이론에 근거한 carpet cloacking을 통해 넓은 대역폭에 대해 비교적 작은 굴절률 변화만으로 투명망토 기술 구현이 가능해졌다.
◇완전흡수체 (perfect absorber)
빛·음파·복사열을 완전히 흡수하는 기술은 기존 물질로도 어느 정도 가능하다 메타물질은 극한 물성에 근거한 소형화, 효율성, 흡수대역 가변/확장성에 있어 비교될 수 없는 장점을 지닌다. 예를 들어 센서·변조기·위장기술·무선통신·파도/지진방파제·박막태양전지 등에 응용이 가능하다.
◇슈퍼렌즈
메타물질을 이용한 슈퍼렌즈는 자연계에 존재하지 않는 초굴절 렌즈나 음굴절 Hyper 렌즈등을 통해 현미경으로 잡히지 않는 물체 주변의 근접장을 볼 수 있게 해줘 현존하는 렌즈및 현미경들이 지닌 ‘Abbe 한계점’을 극복하게 한다.
비슷한 원리로 메타물질의 이용한 파동의 초고집속이 가능해 이는 전자기장 집속이 필요한 분자단위 센서, 비선형 공학등에 응용이 가능하다.
◇메타물질 안테나
메타원자가 공진기라는 점을 고려해 phase antenna array등 개념을 사용해 임의의 파동제어가 가능하다. 메타원자의 공진특성을 활용해 기존 안테나 대비 매우 작은 주고와 더불어 일반적으로 불가능한 특성 응용을 얻어낼 수 있다. 예를 들면 일반적인 안테나와 달리, 진공과 완벽한 impedance matching이 되는 안테나, 전자파 차폐를 통해 채널 간섭을 없앤 MIMO 안테나, 위성통신용 초소형 안테나,GPS,지하탐사 안테나, 무선에너지 전달 등이 가능하다. 마이크로파 안테나 기술은 파동의 전파속도나 위상을 자유롭게 제어할 수 있는 장점 등으로 주목받아 가장 먼저 상용화가 이루어져 이미 2009년 Netgear, Rayspan, LG(chocolate phone)등에 의해 상용화 돼있다.
■물성에 따른 응용 분야
◇전자파 응용 분야
전자파 스펙트럼내 존재하는 가시광 IR(Infrared) THz microwave 영역별로 다른 응용기술이 가능하다. 예를 들어 가시광영역(0.4~1μm)에서는, 앞서 기술한 슈퍼렌즈를 활용한 생물 화학적 센서 및 반도체 식각기술 광학대역에서 자연계 물성치가 약한 chirality나 비선형성을 증가시켜 활용하는 자성메타물질이나 광학스위치, 완전 흡수체를 이용한 박막태양 전지등이 일반적 메타물질 응용과 더울어 가능할 것이다.
IR영역(1~100μm)에서는 plasmon 파동을 제어 할 수 있는 변조기 스위치 detector directional emitter 등과 더울어 열복사파 제어가 중요한 응용 분야이다. THz(100~1,000μm) 기술이 활용되는 분자센서나 이를 활용한 보안 바이오 제약분야에 적용이 가능하다.
현재 개발이 미진한 THZ파 제어소자, 예로서 THz파 증폭기 등이 연구되고 있다. 마이크로파영역은 앞절에서 기술한 분야에 응용이 가능하다.
◇물질파 응용분야
음파, 초음파, 탄성파, 파도, 지진파등에의 메타물질 응용 연구도 활발하다. 음파에서 물성은 이용해 비침습적 의료영상기, 음향다이오드를 이용한 무반사 음향원, 공연장 음파차폐·증강, 가구 차량용방음재, sonar clock에 응용이 가능하다. 더불어 phonon에 의한 열전달을 제어하는 기술, pentamode 메타 물질을 이용한 meta-fluid의 구현도 가능하다. 파장과 에너지가 매우 큰 파도나 지진파에 대한 차폐기술과 투명망토기술도 개발되고 있다.
■파급효과
◇기술적효과
메타원자는 주기율표상에 존재하지 않았던 인공원자로 지금까지 불가능 했던 물성/기능을 유도해낸다. 즉 메타분자·메타폴리머·메타결정/다결정·메타비정질 등을 통해 확장이 가능하가. 라서 메타물질은 주기율표에 새로운 원자군을 더해주는 것과 동일한 원천적인 기술로서 그 파급효과는 지금까지 개발됐던 여러기술과는 그 규모와 깊이 면에서 충격이 다를것이다.
◇사회경제적효과
이미 Science지는 ‘과학발전의 10대 기술’ 및 ‘21세기 과학적 성취 10선’의 하나로 메타물질을 선정한 바 있다. 메타물질은 대표적으로 극한나노식각기술(NT), 스텔스 및 위장기술(ST), 초고해상도 종양진단(BT), 생체이식 초소형무선통신(IT), 태양전지(ET), 증강현실(CT) 등 혁신적인 기술을 통해 인류사회 전반에 걸쳐 삶의 패러다임을 변화시키고 새로운 산업을 태동시킬 것으로 전망 된다.
구체적으로 미세종양 조기 진단과 세포내 기관의 움직임 파악을 통한 의료기술의 혁신, 생체 이식형 초소형 통신기구를 통한 새로운 human-human interface/통신, 원하는 물체를 군사적/음향적으로 숨기거나 다른 형태로 보이게 함으로써 국방기술에 일대 혁신을 가져올 것으로 예상된다.
◇시장 창출 효과
EOC Research가 발표한 2012년 보고서에 따르면 메타물질이 창줄하는 시장규모는 2011년은 2억5천만 달러 수준이나 2021년에는 19억달러 규모로 성장할 것으로 전망된다.
■해외 연구개발 동향
◇미국
미국은 2001년부터 MURI(Multidisciplinary University Research Initiative) project를 통해 메타물질 연구를 전 방위적으로 지원해 오고 있으며 2012년 총 200억원을 4개의 공동연구팀에 지원하며, 69개 대학이 41개 연구과제를 수행하고 있다.
주요 참여 대학은 UC Berkeley, UCLA·UCSD·MIT·Imperial College·Brwon대학·Illinois 대학등이 있고, ONR(Office of Naval Researsh)과 DARPA(Defense Advanced Reserch Project Agency)를 통해 연구비 지원을 받는다.
◇일본
일본은 4개 대학과 RIKEN연구소가 컨소시엄 형태로 메타물질 연구를 수행하고 있다. 미국·EU·중국처럼 수백억원대의 대규모 메타물질 프로그램을 가지고 있지 못한 일본·한국의 메타물질 연구자들은 수년 전부터 정기적으로 한-일 메타포럼을 통해 연구성과를 교류하고 있다.
◇EU
유럽은 FP7, 가상적 국제연구센터인 metamorphose(metamaterials for radio, millimeter wave and photonic superlattice engineering)Virtual Institute등 다수의 다국적/기관 메타물질 연구 프로그램을 진행중이다. Metamorphose 프로그램은 학회개최, 학술지 발간, 연구주제 발굴, 교육프로그램(석·박사 및 일반 연구자, 산업체 대상)을 제공하며, EU내의 산업체에 메타물질 관련 신기술을 제공하는 역할도 한다.
영국은 EPSRC(Engineering and Physical Sciences Research Council)메타물질 관련 165개 과제에 약 600억원을 지원하고 있다. 독일은 German Centers for Excellence METAMAT 등이 3차원 메타물질 연구에서 국제적인 성과를 선도하고 있다.
연구진단위로는 광학연구의 국제적 강자인 Southamptom대학 ORC(Optical Research Center)의 Zheludev 교수 연구진은 Photonic Metamateriala 분야에 100억원 규모의 연구비를 투입하고 있다. 이연구진은 특히 비선형 메타물질과 Chiral meta 물질등 새로운 물성을 창출하는 분야에서 연구를 주도하며 많은 성과를 내고 있다. 메타물질의 대가인 Imperial College의 John Pendry교수는 Duke대학의 David Smith 교수와 함께 Center for Matamaterials and Intergrated Plasmonics를 설립하고, 공동연구를 진행하고 있다. 또한 독일 Karlsruhe Institute of Technology의 Tolga Ergin 교수는 3차원 투명망토를 위한 메타물질 연구를 선도하고 있다.
◇중국
중국은 최근 주목할 만한 연구결과를 내놓고 있다. 저장대·홍콩대·남경대 등 대학에 다수의 Matamaterial Centers of Excellence등이 설립되 있다. 2001년에는 Duke 대학의 Smith 교수에게 사사한 Liu Rou Peng 교수는 정부지원을 받아 300여명의 연구원과 180억원을 투자한 광치 연구소(Kuang-chi Institute of Advanced Tech)를 설립해 메타물질 연구를 본격화 하고 있다.
특히 최근 들어 상당히 많은 메타물질 특허가 중국에서 출원되고 있는점은 주목 할 만 한다. 중국의 메타물질 관련 SCI 논문수(2009~2012)비율(6.4%)는 유럽 (36.8%),미국(30.6%),일본(8.0%)에 이은 4위 수준으로 한국 (2.4%)를 앞선다.
최근 국제적인 메타물질의 연구동향은 메타물질을 응용한 여러 가지 신기술 개발과 더불어서 원천기술에 있어서는 가시광영역에서 적용이 가능한 더 작은 나노 구조체를 활용한 3차원 메타물질, 그리고 현재 기술적 어려움이 있는 광대역 저손실의 메타물질 설계 개발, 극한 물성/기능성을 가지는 메타물질의 개발, 그래핀이나 초전도체 등 특이성을 가지는 재료를 적용하는 메타물질 연구가 활발하다. 그리고 지금까지 축적된 전자파 메타물질의 know-how를 적용해 많은 연구그룹들이 음파·탄성파·열파·지진파·Ocean Wave등의 메타물질로 연구범위를 확장하고 있다.
■해외 선도 기관
■국내 동향 韓, 기초 연구충실, 실용화 연구 부족
국내의 메타물질 관련 연구는 미국 EU과 중국의 국가적 대규모 조직적 투자와 달리, 개별 관련 주제를 통한 기초연구에 대해 산발적형태로 진행되고 있다. 현재까지 집단 형태로 연구가 진행되는 곳은 이화여대의 양자 메타물질 연구센터와 연세대학교 국방피탐지감소 기술특화 연구센터 두 곳이다.하지만 이 두곳은 특정 메타물질/응용에 대한 연구 중으로 대규모로 전방위, 조직적인 투자를 하는 해외 연구기관과 비교 시 예산과 인력의 규모에서 10배 이상 차이가 난다.
산·학·연 역할 파악, 정부의 정책지원 必
해외 사례에서 볼 수 있듯 메타물질 연구는 새로운 ‘인공원자 주기율표’라는 개념과 같이 창조경제 실현에 적합한 사업이나, 이에대한 장기정책이나 프로그램, 국가주도 대형 연구개발 사업은 수립돼 있지 않다. 개별연구를 통해 세계적 연구성과들이 국내 연구자료에 의해 발표 되고 있으나 주로 개별/기초적인 연구에 집중한 것으로 응용/실용적인 연구는 매우 부족한 실정이다.
◇이화여대 양자메타물질센터
이화여대 양자메타물질센터(우정원 교수)는 2008년 SRC에 선정된 이후 양자결맞음을 통한 양자메타물질 연구와 양장정보처리기술개발, 관련 연구인력 양상을 활발히 수행하고 있으며, 한-일 메타포럼을 주기적으로 개최해 양국 간의 연구교류를 활성화 하는데 기여하고 있다.
◇연세대학교 국방피탐지감소기술 특화연구센터
연세대학교 국방피탐지감소기술 특화연구센터 (조형희 교수)는 첨단무기를 위한 피탐지 감소기술(스텔스 기술)을 집중적으로 연구하고 있다. 메타물질관련 연구는 피탐지 감소를 위한 전자파 영역에서 기초연구에 중점을 두고있다. 동대학의 김경식 교수는 슈퍼렌즈,Cloaking(Nature Communication,2012),음 굴절률 메타물질 연구실(이삼현, 김철구 교수)는 음향 메타물질에 관련해 Physical Review Letter등에 좋은 결과를 발표했다.
◇ETRI
ETRI는 정보통신부 ‘전자파 저감소재 및 부품기술 개발’사업을 통해 메타물질에 관련한 연구를 수행하고 있다.
◇한국기계연구원
한국기계연구원(이학주, 정준호박사)는 그래핀을 이용한 나노고체 윤활막 기술을 개발했다. 이 기술은 향후 메타표면 연구와 그래핀 메타물질 여구의 기초기술이며, 이 연구진이 개발한 10nm급 나노측정 원천기술은 국제 표준기술로 채택됐다. 또한 2013년에 국내의 메타물질 연구자들은 전범위적으로 규합해 메타물질 시스템에 관한 기획연구를 수행한 바 있다.
◇KAIST
KAIST는 최근 수년간 임용된 젊은 교수들이 메타물질 연구에 눈을 돌려 이론 실험 양쪽으로 모두 좋은 결과를 내는 중이다. 민범기 교수는 자연계에 존재하지 않는, 굴절률이 매우 높은 (~40)메타물질을 설계후 구현해 Nature(2011년)에 , 2012년에는 그래핀을 이용한 메타물질 THz 스위치는 Nature materials에 발표하는 등 국제적인 성과를 꾸준히 보이고 있다. 이 논문에 이론적 근거가 되어준 광대역 3차원메타물질에 대한 Physical Review Leters(2008)논문을 저술한 신종화 교수도 메타물질 관련 이론을 제공하는 공동연구를 통해 다수의 세계적 학술지에 논문을 게재하고 있다. 양동열 교수는 3차원 나노구조물 제작기술을 확보해 메타물질 공정에 적용하기 위한 연구를 진행중이다. 박용근 교수도 나노입자기반 파장한계 광집속에 대한 우수한 연구결과를 최근 발표했다.
◇서울대학교
서울대 김윤영 교수는 탄성파 메타물질 관련해 다양한 연구를, 이병호 교수는 플라즈모닉스 창의연구단과제중에서 플라
즈모닉 메타물질을 연구하고 있다. 이준식 교수는 나노·마이크로 수준에서 열전달을 위한 메타물질 연구를, 박남규 교수는 박막 태양전지 응용을 위한 완전 흡수 메타물질, top-down 방식의 유전체, 금속기반의 가시관 메타원자, 그리고 음향적용의 메타원자 설계 연구와 실험을 KAIST·GIST 등과 함께 진행하고 있다.
◇고려대학교
고려대학교 이 헌 교수는 대면적의 나노패터닝 기술을, 박규환 교수는 마이크로파 대역에서의 완전 무반사 메타물질을 이론/실험적으로 구현해 Scientific report에 보고한바 있다. 박규환·최원식 교수는 비정질 매질에서 투과율 증강에 관련한 연구를 Nature Photonics(2012)에 발표했다.
2013년 한국기계연구원이 발간한 메타물질 기획연구 보고서에 따르면 약 15명에 이르는 메타물질 핵심 연구자와 관련 연구자를 포함한 50여명에 의해 지난 5년간 발표된 메타물질 관련 NSC(Nature·Nature 자매지·Science ·Cell) 논문 편수는 약 35편으로 미국·EU·중국과 같은 규모의 국가주도 대형 연구개발 사업을 구성하는데 필요한 최소한의 핵심인력과 연구 능력은 이미 갖추어진 상태로 파악된다.
그러나 각 메타물질 분야 (가시광·THz· GHz·Microwave·음파·탄성파·복사파)의 특성이 상이한데 반해 각분야의 전문 연구실은 2개 내외로 불과하다. 또한 두가지 이상의 메타물질 분야에 대해 동시에 전문성을 가지고 연구를 수행할 능력을 가진 연구실은 더욱 제한 되어 1~2개에 불과한 실정이다. 서 향후 메타물질 연구가 국제적 동향에서 극명히 드러나듯 복합 ·응용 방향으로 나아가야 한다는 점을 고려하면, 이론과 공정을 결합하고 상이한 메타물성들을 복합적으로 조망하기 위한 학제간 융합프로그램이 절실히다.
■국내 선도 연구기관·대학
■미래 연구방향
◇메타물질 관련 현재의 기술적 난제해결
대역폭, 손실, Top-down설계, 가공에 대한 기술적 문제 해결은 앞장에서 서술한 바 있으니 참고하면 좋다.
◇기능성 메타물질
메타물질의 기본 구성 요소인 메타원자의 격자구조·위치·배경물질 등을 바꾸거나 비선형 물질이나 PT(Parity-Time) symmetris한 구조를 사용하면 메타물질의 속성을 시간이나 방향, 혹은 파동의 handednedd(chirality)에 따라 조절하는 것이 가능해진다. 또한 MEMS를 사용해 메타원자들의 배열을 조절하거나 전·자장, 액정 등도 조절에 활용할 수 있다. 또한 최근에는 chiral 메타물질을 기반으로 파동에 방향성을 부여하는 광학적 위상 절연체 특성에 대한 연구도 활발하다
이처럼 기능을 간단하게는 스위칭, 필터에의 적용뿐만 아니라 하나의 플랫폼에서 응용에 따른 적응형 필드제어를 가능하게 하므로 메타물질의 대역폭 한계를 회피·해결할 수 있게 하는 좋은 방안이기도 하다 .이러한 가변형 기술은 또한 시간에 따른 변형된 radar반사파를 되돌려 주는데 사용돼 군사적 위장용으로 사용될 수 있다.
◇저차원 메타물질/메타표면
주기율표에 없던 인공원자는 향후 폴리머, 결정·다결정·바정질 등 그 개념·물성의 확장이 가능 할 것이다.
최근 Harvard대학의 Capasso교수에 의해 제안·시연된 2차원 메타표면은 저차원 메타물질의 대표적인 예로, 현재 주목받고 있는 2차원 신소재 그래핀과 매우 잘 융합 되는 기술이다. 또한 좌표축방량에 따라서 메타물성이 달라지는 Hyperbolic 메타물질 역시, 물질의 Density of State(DOS)가 무한하다는 사실로 인해 최근들어 많은 관심을 끌고 있다.
◇복합기능 메타물질
메타물질 원리에서 지적한 바와 같이 메타원자의 크기는 파장보다 상당히 작으며 ~0.1λ정도면 충분하다. 각 메타물질 적용분야에서 취급되는 파장이 상이하므로, multi-scale 구조를 적용하면 동시에 여러 가지의 메타물성을 가지는 복합기능 메타물질을 설계하는 것이 가능하다. 현재까지 이러한 연구가 진행된 사례는 없으나 2013년 한국기계연구소에서 발간한 메타물질 시스템에 관한 기획연구보고서에서 그 가능성이 제시된바 있다.
위에 정리된 기술들(기술적 난제, 기능성 메타물질, 저차원 메타물질, 복합기능 메타물질)외에도 메타물질의 새로운 응용분아야 대한 개척과 더불어서, 더 나은 공정기술( 가지고립기술)의 확보를 통한 산업화 준비는 꾸준히 지속돼야 할 것임을 자명하다.
■정책적 제언
메타물질의 원천적인 기술 가치는 기존 다른 기술과 궤도가 다르다. 미국·EU·중국등은 향후 엄청난 기세로 메타물질 관련 신규시장 확보를 위해 대규모 연구 프로그램을 구성해 체계적으로 선도적인 지원을 진행하고 있다.
다행인 것은 해외의 메타물질 연구프로그램들이 최근인 2009~2012년 사이에서 시작되엇다는 점과 국내에도 비록 산발적·비공식적이기는 하지만 메타물질 관련 연구를 하던 개별 연구자들에 의한 세계적인 연구성과가 최근 들어 보고되기 시작하고 잇다는 점이다.
이러한 국내외적 상황을 고려할 때 메타물질 관련 국가차원의 대규모 국가 연구개발 프로그램 개발·추진하는 것이 시급하다. 이러한 지원은 국내의 메타물질 관련 연구자들의 상호교류와 기술의 고도화에 주축돌이 될 수 있을 것이다.
◇대형·장기·다학제 프로그램이 필요
중국을 포함한 경쟁국들은 약 100~ 200억원 규모의 메타물질 특화 대형 프로그램을 통해 조직적인 기술개발에 박차를 가하고 있다. 메타물질 기술 자체의 원천성과 다양한 타기술 분야에의 순차적 파급효과를 고려한다면 이러한 프로그램을 통한 장기적 지원이 필수적이다.
마지막으로 메타물질의 연구·응용에 관련되는 수많은 다양한 학문분야(메타물질 설계에 필요한 수학적 기반, 대규모 수치해석을 위한 병렬 슈퍼 컴퓨팅, 10nm급의 3차원 공정기술 및 재료 ·화학적 기술, 그리고 생명공학, 음향분야에의 응용이나 통신용 마이크로파 안테나에 대한 지식등)를 고려할 때 융합적이고 다학제적이 sdusrndml 필요성은 기본적으로 고려되어야 한다. 또한 이러한 대형·다학적 과제를 규합·수행하기 위한 연구조직체의 발족이 시급하다.
◇기술 개발을 위한 기반·공유 설비가 필요
메타물질의 설계단계에서부터 본다면 수십~Tera flop 이상의 대규모 수치해석을 소화해 낼 수 있는 대용량 병렬 슈퍼컴퓨터, 초고속 연산을 가능하게 하는 GP-GPU(General Purpose Graphic Processing Unit)기반의 프로그래밍과, 메타물질의 각 파동대역에 합당한 표준화 된 측정설비, 나노공정을 가능하게 하는 ALD, He-FIB장비등, 일반적인 개별 연구실에서 개발·관리하기 어려운 규모의 기술·재원적인 설비와 개발·관리 능력이 필요하다. 이러한 기반설비들의 설치와 개발, 관리가 공동으로 이루어진다면 보다 빠른 기술 개발이 가능할 것이며 기술 산업화에도 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
◇Three-track 산업화 전략 추진
-이미 시장에 진입하고 있는 기술의 산업화 전략
메타물질의 산업화가 이미 통신대역 마이크로파나 안테나를 중심으로 진행되고 있음은 이미 기술한 바 있다. IT강국인 우리나라는 메타기술을 이용한 휴내폰, 향후 wearable, 초소형 무선기기 , 스마트 초소형기지국, 초소형 비행체 등에 대한 응용을 중심으로 메타기술의 적용을 시작할 수 있을 것으로 판단된다.
-향후 10년 전후에 도래할 신규 시장 산업화 전략
음향차단, 음악관련시장, 소음차단 및 방재, 방파설비, 그리고 초음파 메타물질을 이용한 인체, 산업진단 등 음파관련 메타기술도 기술도 근시일에 산업화 적용이 예상된다. 그 외에도 광학적 메타물질을 응용해 파장 한계를 극복하는 생체현미경이나 나노공정 기술 개발등, ,수많은 응용범위를 고려한다면 적절한 지원을 통해 KYMETA사와 같은 형태의 기술 선도형 창업을 유도하고, 이로써 산업의 허리를 강화하고 새로운 성장 동력을 얻도록 유도하는 것이 바람직 할 것이다.
-대형 기간산업용 산업화 전략
대규모 설비·개발비용이 소요될 방파/방지진과 같은 국가재난 대형 기술에 대해서는 국책연구기관을 중심으로 별도 프로그램을 진행해 개발을 유도하고, 중장비산업체를 통해 산업화를 추진한 수 국내외 시장에 순차적인 적용이 바람직 할 것으로 보인다.
◇해외연계 기술 개발
국내 메타물질의 기술수준은 메타물질에 대한 연구를 주도하고 있는 미국·유럽에 비하면 아직 그 연구의 깊이와 폭, 상용화에 있어 약 2년정도의 기술 격차가 존재한다.
중국은 메타물질 연구에 2011년 대대적인 투자를 시작했으나 충분히 극복할 만한 수준으로 판단되며, 일본이 아직까지 대규모 투자를 하고 있지 않은 점은 우리에게 있어 매우 고무적이다.
한편으로 미국·유럽의 경우 개발과 상용화단계의 역량에 있어 한국의 과거연구 실적을 매우 높이 평가하고 있다 특히 메타표면 등에 있어 중요 기발기술로 생각되는 한국의 그래핀 기술들에 대한 관심이 매우 크다. 따라서 이러한 우리의 장점을 활용해 해외 선도연구그룹들과 진행한다면 연구개발의 속도를 더욱 가속화 시킬 수 있으리라 여겨진다.
현시점에서 해외의 많은 메타물질 연구자들은 국내에서 개최되는 학회의 기조·초청강연 등을 통해 한국에 관심을 표시하고 있으며, 공동 연구를 제안하고 있다.
