14. 메타물질이란?? - 고작 투명망토가 문제가 아니라고?

 

메타물질?? 아 그거 투명망토??

수년 전부터 메타물질에 대한 관심도가 서서히 올라오고 있음을 느낄 수 있습니다. 혹시 나만 그런 것일까?.. 아무튼 메타물질이 유명해지게 된 건 바로 투명망토 때문이 아닐까 싶습니다. 투명망토라는 떡밥은 아주 오래전 판타지 소설, 게임, 영화, 드라마의 소재가 되어왔습니다.

 

그도 그럴것이 투명망토를 갖고 있다면 남에게 들키지 않고 나만 유유히 다른 사람들과 세상을 관찰할 수 있는 신의 영역의 힘을 건드는 수준으로 인간 능력을 초월한다고 할 수 있으니까요.

 

사실 메타물질이 상용화 된다면 메타물질로 할 수 있는 일은 투명망토를 걸쳐 앉아서 남들 지켜보는 관음적인 일보다 과학적으로 엄청나게 생산적인 일들을 할 수 있게 됩니다.

 

광학, 화학, 전기, 군사, 의학 거의 모든 분야에서 일대 혁신을 일으킬 메타물질.

 

이번 시간에는 메타물질이 무엇이고 어떠한 일들이 가능해지는지 살펴봅시다.

 

메타물질이란 무엇인가??

메타물질(MetaMaterial)이란 단어에서의 메타(meta)는 요즘 너무나 많이 사용되고 있는 단어입니다. 단어의 유행 정도로 따진다면 단연 최고 핫한 단어가 아닐까 싶습니다. 

 

메타(전 페이스북, 화학분야 메타), 메타버스, 메타인지, 메타규칙, 메타검색, 메타 경제학 등등 메타라는 단어로 시작하는 단어는 대략 180여 개 정도 된다고 합니다.

(메타콩즈에 물려있다는 것은 나만의 비밀^^)

 

메타는 After, Beyond에 해당하는 그리스어 접두사
그 이후에, 넘어서는, 능가하는 이란 의미를 갖는다.

 

그러니까 메타물질이란 기존물질을 뛰어넘는 무엇인가를 가진 물질이란 의미를 갖고 있습니다. 

그런데 무엇인가를 뛰어넘는다기 보다는 지금까지 없었던 재료라는 의미로 이해하면 더 쉽게 이해할 수 있을 거 같습니다. 메타물질은 어떠한 특징 때문에 지금까지는 없었던 물질이라는 평가를 받는 것일까요?

 

이를 이해하려면 빛에 대해서 간략하게 나마 이해해야 합니다. 정말 간략하게만 이해하면 되니 한번 아래 그림을 봅시다.

빛은 전자기파라고 하며 전기장과 자기장이라고 하는 알 수 없는 두 녀석들이 서로 꼬아가면서 무한하게 직진하는 그런 녀석입니다. 

 

 

무한하게 직진할때 그냥 앞으로만 가는 것이 아니라 파도처럼 파동을 지낸 채로 진행한다는 점이 특징입니다. 파동은 골과 골을 만들며 진행하는 에너지의 흐름이고, 이 골과 골의 길이를 파장이라고 합니다.

 

자 메타물질을 이해하기 위한 기본지식은 모두 알게 되신겁니다. 이 내용만 가지고 메타물질의 특징을 살펴보겠습니다.

 

빛의 파장은 이해했으니 가시광(Visible light, 볼 수 있는 빛)이라 불리는 우리 눈이 인식할 수 있는 전자기파의 파장이 380~780nm라고 하면 어떠한 내용인지 머릿속으로 이해가 가실까요?

 

나노미터라고 하면 10의 -9승 미터로 0.000000001m 입니다. 그러니까 파장이 380nm 짜리 가시광은 골과 골 사이의 길이가 0.000000380m라는 엄청나게 짧은 길이를 마구 요동치며 나아가는 빛이라는 이야기가 됩니다.

 

파장의 길이가 워낙 짧다보니까 물질들의 틈은 물론이고 물질 내부로도 침투하기도 합니다. 물질을 이루고 있는 분자들이 이 가시광을 흡수하거나 반사시키는 상호작용을 하기 때문에 빛이 물질을 통과하기 어려운 것이지 사실 이 정도의 짧은 파장이면 물질 사이를 슉슉 뚫고 나가기에 충분히 짧은 길이입니다.

 

그 대표적인 예가 바로 유리입니다. 유리는 가시광 영역의 파장을 지닌 전자기파와 전혀 아무런 상호작용을 하지 않습니다. 그렇기 때문에 물질이 있는대도 불구하고 빛이 물질 반대 방향으로 통과해버릴 수 있습니다.

 

 

그러면 이 빛이라는 녀석입장에서 봅시다. 파장이 380nm 인 이 녀석이 왼쪽 그림과 같은 결정구조를 지닌 물질 내부로 들어갔다고 봅시다. 이 상황과 오른쪽 그림처럼 비록 단일 물질은 아니지만 nm 단위의 인공적인 구조를 지닌 구조물 안으로 들어갔을 때, 이 두 가지 상황을 비교하면 빛이라는 녀석 입장에서는 무엇이 물질이고 무엇이 인공적인 구조인지 구분이 가능할까요?

 

어려울 겁니다. 인간의 나노기술이 발달하면서 인간들은 5nm 수준의 작은 회로를 갖는 반도체도 만들어내고 수백nm 수준의 구조물들은 크게 어렵지 않게 만드는 수준으로 발전했습니다. 

 

따라서 가시광 영역의 파장에 직접적으로 구조적으로 영향을 줄 수 있는 구조를 인위적으로 만들어 낼 수 있는 상황이 된 것입니다. 

 

따라서 인위적으로 만들어낸 구조체 자체가 빛과 어떠한 반응을 하여 영향을 준다면 구조체 자체를 물질이라고 부를 수도 있지 않을까? 해서 빛과 상호작용하는 인공 미세 구조체를 메타물질이라고 합니다.

 

그런데 미세 구조체가 메타 물질이라고 하기에는 모든 구조체를 메타물질이라고 하는 것은 아니고 음의 굴절률을 가지는 구조체를 메타물질이라고 합니다.

 

음의 굴절률을 가진 이상한 녀석

굴절률이란 빛이 물질에 들어오면 변하는 속도에 의해 얼마나 꺾이는지 비율을 나타낸 수치인데요. 

https://allled.tistory.com/47

5. 굴절률(Refractive Index) 이야기

무려 2018년에 작성했던 굴절률에 관련한 자세한 글이 있으니 더 깊게 아시고 싶으신 분들은 참고 부탁드립니다.

 

이 굴절률은 공기가 1(실제로는 공기는 1.00029 정도, 진공상태가 1이다.)이고 대부분의 물질은 1보다 높은 굴절률을 지닙니다. 물은 굴절률이 1.333으로 공기에서보다 물 안에서 빛의 속도가 33.3% 줄어든다고 볼 수 있고, 공기를 지나가던 빛이 물에 들어가면 느려진 속도만큼 경로가 휘어져서 들어가게 됩니다.

 

이 때문에 욕조나 수영장 안에서 잠수해서 볼 때도 그렇고 실제보다 훨씬 크게 보이고, 물 밖에서 볼 때는 실제 있는 위치보다 물체들이 가까워 보이는 것을 우리는 경험적으로 알 수 있습니다.

 

지구상에 존재하는 대부분의 물질들(빛이 통과할 수 있는 물질에 한해서, 통과를 못한다면 굴절이라는 현상 자체가 성립하지 않는다) 굴절률이 1보다 큽니다. 1보다 크다는 것은 0.544 이런 식으로 소수점을 가지는 재료조차 없다는 이야기인데 메타물질은 무려 마이너스 굴절률을 가지는 특이한 상황인 것이죠.

일반적인 굴절률을 가지는 재료는 위 그림의 왼쪽처럼 물질 안에서 빛이 조금 느려지면서 경로가 살짝 변하긴 하지만 극단적으로 경로를 바꾸지는 못합니다. 

 

그러나 마이너스 굴절률을 가지는 재료는 오른쪽 그림처럼 물질 안에서 빛이 나아가는 경로가 아예 진행하던 방향에서 반사되듯이 방향을 바꾸어 진행해버리는 특징을 지닙니다. 그리고 이 물질을 통과하면 원래 경로대로 나아가죠.

 

이렇게 경험해보지 못한 수준으로 빛을 이리저리 조절할 수 있다 보니 광학적으로 기존에 불가능했던 여러 가지 들을 가능하게 만들었고 그 대표적인 예가 투명망토입니다.

 

또한 이러한 굴절률을 이용하면 일반적인 볼록렌즈나 오목렌즈가 필요 없이 평면 렌즈를 사용해서 엄청나게 얇은 렌즈를 구현할 수 있기 때문에 요즘 나오는 스마트폰의 카툭튀 문제를 아예 없애버릴 수 있습니다.

 

또한 반도체 분야에서도 고집적 노광기는 상상도 할 수 없을 정도로 복잡한 광 경로를 가지는 복잡하거 거대한 장비인데 이러한 장비의 광경로를 혁신적으로 줄일 수 있어서 반도체 분야에서도 혁신이 이루어질 겁니다.

 

그리고 전자기파를 사용하는 안테나, 통신, 레이더에 관련한 기술까지 메타물질 기술을 선점하는 국가는 강력한 경제, 군사적 강점을 지니게 될 겁니다. 앞으로 벌어질 메타물질 메타! 기대해보셔도 좋을 것 같습니다.

 

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사실 메타물질에 관해서는 할 이야기가 훨씬 더 많습니다. 음의 굴절률을 가진 재료는 메타물질의 범주에 들어가는 것일 뿐 진짜 메타물질의 정의 자체는 아니기 때문입니다. 

 

네이버 프리미엄콘텐츠 채널인 남보르의 Allled.TV+ 에서는 메타물질에 관한 정의부터 메타물질의 실제 구조, 예시 논문, 동영상 등 메타물질을 이해하기 위한 포괄적인 내용을 모두 담은 자료들을 추가적으로 보실 수 있습니다. 

https://contents.premium.naver.com/allled/allledtv/contents/220923165322088lo

메타물질이란? - 카툭튀를 날려버릴 진짜 기술