▲ 본 연구에서 개발된 메타물질의 모식도와 실제 사진.

국내 연구진이 수학의 공간채움 원리를 이용해 기존보다 2천배가 높은 유전상수를 가지는 신소재를 개발했다.

KAIST(총장 강성모)는 신종화, 김도경 신소재공학과 교수와 이용희 물리학과 교수 공동 연구팀이 기존 기술보다 2,000배 높은 유전상수를 갖는 전자기파 신소재를 개발했다고 밝혔다.

유전상수는 소재의 전기적 성질 중 가장 기본이 되는 성질로, 물질 내부의 전하 사이에 전기장이 작용할 때 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 단위이다. 진공 상태의 유전상수는 1이고, 가장 큰 광대역 유전상수는 최대 1천600 수준이다.

연구팀은 수학적 공간채움 구조를 전자기 소재에 대입했다. 공간채움 구조란 선으로 한 차원 높은 면을 채우는 구조를 뜻한다. 유한한 크기를 갖는 면의 모든 점을 통과하는 연결된 선을 그릴 수 있으며 이 때 선의 길이는 무한대이다.

이를 응용해 기존의 피뢰침처럼 좁은 영역에서만 발생하는 강한 유전분극이 메타물질 공간 내부 전체에 밀집돼 나타나게 만들었다. 또한 공간채움 선의 방향을 조절해 밀집된 유전분극이 서로 상쇄되지 않고 합쳐지도록 조절해 삼백만 이상의 큰 유전 상수를 얻었다.

유전상수가 320만이면 이 물질을 활용한 축전기의 전기용량은 진공에 대비해 320만배 커지고, 전자기파를 흡수하는 비율이나 방출하는 속도 또한 320만배 커진다.

또한 굴절률이 약 1천 800배(유전상수의 제곱근)가 되기 때문에 이 소재 안에서 빛의 속도는 1천 800배 느리게, 파장은 1천 800배 짧아진다. 이를 통해 렌즈 등의 소자는 1천 800배 가량 작게 만들 수 있고 기존의 이미징 장치보다 1천 800배 세밀하게 물체를 관찰할 수 있다.

특히 아주 얇은 막으로도 원하는 방향으로 전자기파를 반사시키거나 대부분 흡수시킬 수 있기 때문에, 전투기나 함정에 씌워서 레이더에 탐지되지 않도록 하는 스텔스 표면 등 국방 응용이 기대되며, 5G 휴대전화용 안테나 등 무선통신 분야 적용도 가능할 것으로 예상된다.

또한, 가시광선에서도 만약 그 원리가 적용된다면 바이러스를 직접 볼 수 있는 수준의 매우 높은 분해능을 가진 현미경 등 더욱 다양한 응용이 기대된다.

신 교수는 “간단한 수학적, 물리적 원리가 혁신적 성능을 갖는 신소재 개발로 이어질 수 있음을 밝혔다”며 “이는 기초 원리의 중요성을 확인한 값진 경험이었고, 앞으로도 이러한 원리를 기반으로 신소재 개발을 지속하겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8월 30일자 온라인 판에 게재됐으며 신소재공학과 장태용 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.