[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]

[④ 메타물질완전흡수체, 스텔스 · 태양광 등 다양한 분야 활용 ] 

메타물질 완전흡수체 기술은 구조나 소재 등을 조절하여 선택적 파장 영역에서 빛이나 전자기파를 완전히 흡수할 수 있는 기술이다.

두 층의 금속층과 그 사이에 있는 유전체층으로 이루어진 금속/유전체/금속(MIM: Metal-Insulator-Metal)구조를 가지고 있고, 그 동작 메커니즘은 맨 위층의 금속층은 패턴이 형성되어 안테나처럼 선택적인 파장영역에서 입사되는 전자기파나 빛을 우선 흡수하게 되며, 흡수된 전자기파는 맨 아래층의 금속층과 강한 전자기적 커플링을 형성해 두 금속층과 유전층 영역에 완전히 가둬지게 된다.

이때, 대부분의 흡수된 전자기파 에너지는 금속층, 유전층의 손실 부분에 의해 열 등으로 바뀌어 사라지게 된다. 이러한 메타물질 완전흡수체의 형상, 유전체 두께, 소재 등을 조절하여 원하는 파장 영역에서 입사파를 완전히 흡수할 수 있게 된다.

메타물질 완전흡수체에 대한 연구는 현재 기초연구로 설계, 제조, 소재 기술 등에 대해 활발히 진행되어 왔으며, 이를 이용한 응용 · 실용 연구에 대해 많은 관심이 진행되는 단계이다.

메타물질 완전흡수체를 ICT에 응용하는 연구는 그 적용 파장 영역에 따라 크게 마이크로파, 테라헤르츠(THz: Terahertz), 적외선, 근적외선/가시광 파장 영역 분야 등으로 나눌 수 있다.

마이크로파 메타물질 완전흡수체는 주로 스텔스, 전자파 저감, 센서 등에 응용하는 연구가 보고되고 있다.

우선 메타물질 완전흡수체를 이용해 기존 마이크로파 흡수체보다 훨씬 얇은 두께(4/λ이하)로 마이크로파 흡수체를 구현한 결과를 얻어냈다.

이러한 연구는 실제 환경의 스텔스 응용을 위해 입사각, 편파에 둔감한 광대역 또는 다중대역 메타물질 완전흡수체 구현에 초점이 맞춰 연구가 진행되고 있다.

또한, 마이크로파 메타물질 완전흡수체를 센서에 적용하는 연구도 진행되고 있고, 이는 미세유체기술과 접목하여 실시간으로 액체의 농도 등의 변화를 빠르게 감지할 수 있어 이를 이용하여 실시간으로 위험 감지 등이 가능한 화학 센서 등에 응용할 수 있다.

테라헤르츠 메타물질 완전흡수체는 0.1~10THz 대역에서 동작하는 메타물질로서 향후 기대가 되는 미래응용기술로 초고속 무선통신, 테라헤르츠 이미징, 테라헤르츠 능동 광 스위치 및 광 변조기, 보안 감지, 열 방출기 등 다양한 분야에서 적용이 가능하다.

메타물질 완전흡수체의 적외선 응용으로는 적외선 탐지기, 고성능 센서, 파장선택적 열 방출기, 적외선 스텔스, 열화상 이미징 등이 있다.

적외선 스텔스 기술로 주기적인 메타물질 완전흡수체를 이용해 첨단 무기 등에 사용되는 적외선 탐지 기술을 향상시킨 결과와 적외선 파장영역에서 광대역 메타물질 완전흡수체를 이용하여 열화상카메라 등에 적용되는 비냉각식 마이크로 볼로미터의 성능을 향상시킨 결과 등을 이끌어 내고 있다.

또한 근적외선 응용방향으로 메타물질 완전흡수체를 이용해 광통신 부품을 소형화, 집적화해 초고속, 저전력 차세대 광통신 · 광소자 등에 적용하는 분야는 매우 시장성이 높다고 할 수 있으며, 이외에도 고민감 근적외선 생체센서, 고성능 광검출기 등에 활용이 가능하다.

아울러 가시광 파장 메타물질 완전흡수체 응용이 있으며, 이 분야는 높은 효율, 광대역, 높은 흡수율이 필요한 태양에너지 발전, 홀로그램등 고해상도 차세대 디스플레이, 광센서 등에도 활용될 수 있다.

최근엔 가시광 파장 영역에서 동작하는 수십 나노 이하의 메타물질 완전흡수체를 이용해 태양전지, 광전극, 태양열광전지(STPV: Solar-Thermophotovoltaic) 등의 성능을 향상시키는데 성공했으며, 열전소자와 접목해 고민감 광센서 응용도 추진되고 있다.

디스플레이 분야에서는 메타물질 완전흡수체를 이용해 빛의 위상 및 진폭을 마음대로 조절하여 고해상도 홀로그램(Hologram) 픽셀, 초소형 광변조기(SLM: Spatial Light Modulator)를 구현하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 향후 능동 소자와 접목해 디스플레이 기술을 획기적으로 발전시킬 것으로 예상되고 있다.