영화 해리포터에 나오는 ‘투명망토’가 현실에서도 나올 가능성이 높아졌다. 국내 연구진이 굴절률을 제어해 빛의 경로를 조절하는 방식으로 투명 망토 제작을 가능하게 하는 ‘벌크 메타물질’을 구현하는데 성공했기 때문이다.

7일 한국연구재단은 서울대 정인 교수 연구팀 등이 음굴절하는 빛의 파장대를 정밀하게 조절할 수 있는 방식을 구현했다고 밝혔다.

메타물질이란?
메타는 ‘존재하지 않는’ ‘가상의’ ‘초월한’이란 뜻의 그리스어에서 나온 말이다. 메타물질은 자연계에 존재하지 않으며 인간이 만들어낸 새로운 성질을 가진 물질들을 총칭한다. 학술적으로는 자연에서 얻은 물질에서는 관찰되지 않는 성질을 가지도록 인공적으로 배열 및 설계한 물질을 뜻한다. 특히 빛‧에너지의 파장보다 작은 인공원자들로 이루어진 구조들의 집합체를 통칭한다.

메타물질은 이로 인해 빛과 국소적인 상호작용을 일으키며 빛의 위상, 세기, 진행 방향 등과 같은 다양한 특성을 변화시킨다. 새로운 광학 특성을 가진 메타물질은 무궁무진한 상상 속 기술을 구현할 수 있는 미래혁신소재 플랫폼으로 기대를 받고 있다.

메타물질은 빛을 일반적인 굴절 방향과 다른 쪽으로 휘도록 하는 ‘음굴절’과 빛의 파장보다 작은 초점을 만드는 등 특이 성질을 보인다.

실제로 음굴절이 구현되면 투명 망토, 빛의 파장보다 작은 초점, 초고해상도 이미징, 빛 경로 제어, 초고성능 센서 등에 응용할 수 있다.한국연구재단, 굴절률 제어해 빛 경로 조절하는 방식 적용
연구팀은 나노물질인 질화 보론과 흑연층이 자발적으로 교차해 쌓이는 합성법을 개발했다.

이들 분말을 벽돌처럼 찍어 잘라낸 벌크 소재(자연계에 일반적으로 존재하는 길이 100㎚ 이상의 눈으로 관측되는 물질)는 3차원 모든 방향에서 음굴절 등 자연계에 존재하지 않는 광학적 성질을 보일 수 있는 ‘하이퍼볼릭 메타물질’ 성질을 나타냈다.

눈에 보이지 않는 작은 크기의 나노 소재가 아닌 사람 눈으로 볼 수 있는 크기의 벌크 소재 형태로는 처음 구현된 메타물질이다.

평면 방향뿐만 아니라 모든 방향에서 들어오는 빛을 음굴절시키는 데다 파장대도 정밀하게 조율할 수 있다.

메타물질 여러 개를 이어 붙여 망토를 만들고, 망토의 빛 굴절률을 정밀 제어하면 투명 망토도 가능해진다는 것이다.

지금까지는 매우 작은 금속을 초고난도 특수 세공 기술로 가공해 나노 크기의 메타물질을 구현해 왔다.

구조 설계·변형이 어려운 기존 방식으로는 다양한 메타물질을 구현하거나 성질을 제어하는 데 어려움을 겪어 왔다.

연구팀은 “질화 보론과 흑연을 섞는 비율, 두께 등이 벌크 메타물질의 성질을 결정하는데 이는 메타성질을 화학적으로 제어한 최초의 결과”라면서 “투명 망토, 나노입자도 볼 수 있는 초고해상도 이미징 등의 실마리가 될 수 있을 것”이라고 전했다.