“메타물질, 국가 전략 기술 확보 핵심 Key”

국방·통신 등 안보 및 미래 산업 혁신적 파괴력·초격차 구현

상용화 必 특허·창업 지원 등 다양한 제도 및 뒷받침 필요

■파동에너지극한제어연구단(CAMM)에 대한 소개를 부탁드린다

파동에너지극한제어연구단은 ‘파동에너지 극한제어 기반 신산업 창출’이라는 비전을 달성하기 위해 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업을 통해 2014년 9월에 발족했다. 연구단은 극한물성시스템 구현을 위한 파동제어 원천기술을 개발하고 실용화하는 연구를 수행하고 있다.

연구단은 메타물질을 이용해 전자기 및 역학 파동을 제어함으로써 자연계 물질로 구현할 수 없는 새로운 물성을 구현하는 원천기술을 개발하고, 이를 제작·측정·평가할 수 있는 플랫폼을 구축해 신산업 창출에 기여하고자 한다.

메타물질은 자연계에 존재하는 물질을 이용, 파동의 파장보다 작은 인공 구조물을 만들어 자연계에 존재하지 않는 물성을 구현하는 차세대 소재기술이다. 즉, 파장보다 작은 주기적인 구조를 갖는 인공 구조물을 이용하여 빛이나 음파 등 파동을 반사, 투과, 흡수, 굴절시키도록 만든 것이 메타물질이다.

연구단은 새로운 성장 동력을 창출할 수 있는 메타물질을 활용한 최고 수준의 원천기술 확보를 위해 9년간 총 사업비 818억원을 지원받아 다양한 연구를 수행해 왔다. 실용화에 필요한 원천기술을 수요기반에 맞춰 체계화하고 기술 확보를 위한 융·복합 연구개발과 함께 메타물질의 상용화를 위해 반드시 해결해야 하는 역설계(Inverse Design), 저손실, 광대역, 대면적 및 저가 양산 가능 설계, 복합기능 구현 등을 개선하기 위한 연구개발을 수행하고 있다.

■최근 과학계와 산업계에서 메타물질에 집중하고 있다. 메타물질의 중요성과 우리나라의 기술 개발 현황이 궁금하다

메타물질은 공학적으로 필요한 물질의 물성을 설계하는데 있어서 새로운 길을 열며 안보 및 미래산업 관점에서 큰 파급효과를 지닌 차세대 소재 기술로 주목받고 있다. 미국 매사추세츠 공과대학교(MIT)와 세계경제포럼에서는 메타물질을 10대 신기술로 선정했으며, 미 국방성 산하 고등연구계획국(DARPA)에서는 인터넷 이상으로 인류에 변혁과 혁신을 가져올 기술 중 하나로 메타물질을 지목하기도 했다.

이에 미국, 유럽 등 주요국은 일찍이 메타물질을 포함한 신소재를 전략기술로 선정하고, 메타물질 연구센터 설립, 전담팀 신설, 국방응용 네트워크 구축, 인재육성, 연구기반 확충 등 전방위적 지원체계를 마련해 연구 개발에 박차를 가하고 있다.

미국은 2002년부터 현재까지 메타물질 응용 분야 282개 과제를 지원하고 있으며 Ecodyne, Kymeta 등 메타물질 벤처기업을 설립했다. 또 빌게이츠 재단, Lockheed Martin, 한화시스템, 현대자동차 등에서도 메타물질의 국방 응용 및 미래 통신 기술로 활용하기 위한 투자를 활발히 진행 중이다.

국내에서는 2000년대 중반부터 대학을 중심으로 국방, 안테나, 광학 분야 등에서 산발적으로 메타물질 연구를 수행해 왔다. 그러다 2014년 연구단을 중심으로 산·학·연·군·관 협력체계를 구축해 종합적인 연구 개발을 진행했다. 그 결과, 세계적인 수준의 메타물질 원천기술 역량을 확보했으며, 연구 수준 세계 3위에 이름을 올렸다. 특히 우리나라는 역설계, 양산을 고려한 메타물질, 광대역 설계 등 상용화를 위한 난제 해결 분야에서는 세계 최고 수준을 보유하고 있다.

우리 정부도 메타물질을 국가전략기술의 기반이 되고 경제와 산업의 판도를 바꿀 혁신적인 게임체인저로 바라보고 있다. 메타물질을 통해 정부가 선정한 AR 디스플레이용 렌즈, 스텔스 등 12대 국가전략기술 및 10대 국방전략분야 확보에 필요한 차세대 혁신 소재 개발을 조기에 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

■연구단의 추진해 온 프로젝트와 성과는 무엇이며, 연구과정에서 어려웠던 점은?

연구단은 그동안 전자기파, 역학파를 제어하기 위한 핵심 원천기술과 실용화 기술을 개발했다. △광대역 전자기파 스텔스 기술 △저주파 경량차음판 △마이크로 LED 디스플레이 응용기술 △마이크로 니들패치 등의 기술은 기술 기반 기업을 창업해 상용화를 추진 중이며 △메타물질 역설계 △시공간 변화 메타물질 △인공지능 기반 광대역 최적화 설계 등의 기술은 세계 최고 수준의 독보적 연구영역을 창출했다.

이러한 성과를 창출하기 까지는 여러 어려움이 있었다. 특히 개발된 핵심원천기술이 미래 시장에 활용되기 위해서는 실용화 대상 발굴과 전략 수립이 필요하다. 연구단은 정책 분석, 연구성과-수요 협의 등을 통해 응용아이템 및 기술 사양을 도출했으나 연구단 규모에서 감당하기에는 다소 무리가 있어 많은 시간과 노력이 소요됐다.

또한 연구성과를 상용화하기 위해서는 TRL(기술성숙도)을 높여야 하는데 원천기술개발 사업에서 TRL을 높이는 데는 한계가 있었고, 특히 개발된 세계최고 수준의 원천기술을 세계최초의 제품으로 탄생시키기 위한, 즉 '아무도 가보지 않은 길을 가야하는’ 면에서 어려움을 겪었다.

그럼에도 연구단은 사업을 통해 목표한 핵심원천기술을 성공적으로 확보했다. 국내외 특허 출원 625건, 창업 8건, 기술이전 36건(32억원), 논문(SCI급) 900건, 국제표준 3건 등의 우수한 연구성과를 도출했으며, 연구 결과 데이터베이스 기반의 메타물질 공학설계 플랫폼(EDPM)을 구축해 메타물질 연구성과가 활용되고 지속적으로 발전할 수 있는 기반을 마련했다.

▲ 연구단이 개발한 광대역 전자기파 스텔스 기술

▲ 신축 컬러 Auxetic 메타 디스플레이

■메타물질이 상용화 되면 어떤 효과가 있고, 상용화를 위해서는 어떠한 노력이 필요한가

와해성 특성을 지닌 메타물질은 고해상도 홀로그램, 고성능 렌즈, 효율적인 소형 안테나, 초민감 감지기 같은 새로운 응용 분야에 적용할 수 있다. 다양한 분야에 적용 가능한 메타물질을 활용하면 기존 기술의 한계를 넘어서서 새로운 시장을 선점할 수 있다. 인간의 시각 인지 한계를 뛰어넘는 초실감 입체영상 기반 XR 시스템, 메타물질 초음파를 이용한 정밀 비파괴 안전진단 시스템 등 새로운 시장 창출로 국가 경제에 기여할 수 있다.

또한 메타물질은 빛뿐만 아니라 전자파, 음파 등 일반적인 파동의 전파를 제어할 수 있어 전자파·음파·적외선·가시광선에 동시에 대응하는 스텔스 기술 등 무기 체계에도 적용이 가능하다. 이처럼 메타물질은 차세대 국방 및 항공·우주 기술 고도화에 일조해 국가 안보 및 외교 강화에 큰 역할을 할 수 있다.

이외에도 고령화 사회에서 대두되는 뇌졸중 골든타임 확보를 위한 두개골 투과 메타물질 초음파 시스템, 경량 음향 메타물질 차음재 적용으로 층간 및 벽간 소음 해소 등 사회문제 해결에도 기여할 수 있다.

외교·안보 측면에서 가치가 크고 신산업 창출 등 미래혁신의 기반이 되는 메타물질 상용화를 위해서는 종합적인 국가적 전략 및 지원이 필요하다. 우선 핵심원천기술 중 유망한 딥테크 아이템을 발굴해 성장시키는 노력을 해야 한다. 특히, 국가 안보적 측면에서 수출통제 가능성에 대비 자립화 능력은 필수다.

이에 수요기관과 연구자 협의체를 구성해 수요기관-기술 연계 기반의 연구에 속도를 내야 한다. 광대역 성능구현 및 손실 최소화, 대면적화 등 수요기반의 산학연 연구개발과 실제 운용 환경에서의 신뢰성 확보, 대량 생산 기술 개발 등 기업 주도의 실용화 사업이 필요하다. 이와 함께 TRL 향상을 통한 제품화를 위해 특허, 기술기반 창업 등 다양한 지원 제도가 마련돼야 한다.

■앞으로의 연구 계획과 목표는?

연구단은 미래를 위한 새롭고 다양한 미션을 수행하고 있다. 메타물질 연구개발을 통해 원천기술을 확보하고 이를 활용해 국가와 국민의 삶에 이로운 영향을 끼치기 위해서는 실용화까지 이어져야 한다. 이에 연구단은 ‘국가메타물질 연구개발 센터(National Technology Center for Metamaterial)’ 를 설립해 메타물질 연구개발 전문기관으로 지속 발전하고자 한다.

우선 통신, 국방 등 수요기반의 메타물질 응용아이템 발굴 및 응용·개발을 지속 추진하고, 보유한 핵심 기술의 이전 및 창업을 지원해 메타물질 사업화 생태계를 조성할 계획이다. 또한 앞으로도 독보적인 연구영역 창출과 원천기술의 개발에도 박차를 가할 예정이다. 이를 위해 수요처 및 국제 기관 등과 적극적으로 교류하고 협력해 세계적인 연구거점을 구축, 메타물질 분야의 선도적 지위를 지속할 방침이다.

이를 통해 연구단은 ‘메타구조체 분야 강소형 전문 연구기관’으로 발돋움해, 기계·ICT·에너지·바이오 및 의료기술 등과 융합해 재난사고, 안보위협, 소음공해 등의 사회문제를 해결하고 국가 산업 및 경제 발전에 일조하고자 한다.

▲ 연구단이 구축한 메타물질 공학설계 플랫폼(EDPM)