[뉴스비전e 박준상 기자] 최근 사물인터넷(IoT), 5G 등 첨단 ICT 기술 발전과 함께 첨단 부품에 대한 수요가 급증하면서, 기존 소재의 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 소재나 구조에 대한 관심이 높아지고 있다.

특히 투명망토, 슈퍼렌즈 등으로 알려진 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 가지는 가공된 인공물질로 전자파, 통신, 운송, 위성, 국방 등의 다양한 산업에 활용이 가능해 파급효과가 매우 클 것을 기대되고 있다.

미국 시장조사업체 BCC리서치에 따르면 세계 메타물질 시장규모는 오는 2020년 10억 달러에 달할 것으로 전망되고 있다.

4차 산업혁명을 선도할 차세대 핵심 소재인 메타 물질에 대해서 자세히 살펴 본다. [편집자주]

[ ① 이 세상엔 없는 새로운 차세대 소재 '메타머티리얼' ]

지난해 9월, 우리나라 포항공과대학 연구팀이 비대칭 메타물질을 이용해 빛을 한 방향으로 흐르게 하는 광학 다이오드를 개발했다.

연구팀은 빛의 흐름을 제어해 나노 디바이스에서 불필요한 빛의 회절 한계를 극복할 수 있도록 해 초고속 광학 컴퓨팅은 물론 반도체 공정에서 광 집적회로를 구현할 수 있게 했다.

조금 더 쉽게 말하면 공상과학 영화에서나 나왔던 투명인간이 실현 가능하게 된 것이다.

메타물질(Metamaterial)은 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현하기 위해 빛의 파장보다 매우 작은 크기로 만든 금속이나 유전물질로 설계된 메타 원자(Meta Atom)의 주기적인 배열로 이루어진 물질이다. 

메타물질은 자연적인 물질들이 할 수 없는 방식으로 빛과 음파를 상호 작용하도록 설계해 , 투명망토와 고성능 렌즈, 효율적인 소형 안테나, 초민감 감지기 같은 새로운 응용 분야에 적용할 수 있다. 

메타물질은 빛 뿐만 아니라 전자파, 음파 등 일반적인 파동의 전파를 차단할 수도 있어 스텔스 기능도 가능하다.

메타물질의 종류는 동작 파장 및 그 기능에 따라 다양하게 정의할 수 있지만, 크게 전자기파(광학), 음파, 지진파 메타물질로 구분할 수 있다.

전자기파(광학) 메타물질은 전기적, 자기적 성질을 원하는 대로 가지도록 만든 미세 구조체를 일컫는 말이다.

미세구조체의 유전분극 특성, 표면전류 분포, 전기적 공진, 자기적 공진 등의 성질을 조절함으로써 여러가지 새로운 특성의 메타물질을 구현할 수 있다.

굴절률, 보다 자세히는 물질의 전기적인 특성인 유전율과 자기적인 특성인 투자율은 물질의 전자기적(광학적) 특성의 가장 기초가 되므로 이에 대한 연구가 진행되고 있다.

음굴절률 및 부정부호 유전율 메타물질, 손지기 메타물질, 비선형 및 가변 메타물질, 그래핀 메타물질, 광증폭 메타물질, 양자 메타물질, 광결정 등이 있다.

음파, 진동, 지진파 메타물질은 음파 등에 대해 원하는 특성을 가지도록 만든 미세 구조체이다.

전자기파 메타물질의 개념을 2차원 음파 전파에 동일하게 적용할 수 있으므로, 원하는 탄성 물질을 가지는 미세 구조체를 설계해 만든 것으로, 음파에 대한 투명망토나 지진, 쓰나미 제어 등에 활용되고 있다.