빛과 소리 제어하는 ‘꿈의 소재’ / 물질 구조 바꿔 새 물성 부여 / 상상속 ‘투명망토’ 등 실현 가능 / 정보통신·에너지 기술혁신 견인

19세기 말 독일 물리학자 하인리히 루돌프 헤르츠는 센티미터 간격으로 놓인 도선을 통과하는 수 미터 파장의 전파를 관찰하며 흥미로운 현상을 발견했다. 전파의 파장보다 작은 간격의 도선 배열을 통과할 때 원래의 도선과 다른 상호작용을 했다. 오늘날 나노기술의 발전 덕분에 수 나노미터 파장보다 작은 간격의 물질을 배열해 빛과 소리를 제어하는 ‘메타물질’ 기술이 각광받고 있다. 이를테면 빛의 굴절을 제어해 ‘투명망토’를 만들거나 층간 소음을 흡수하는 ‘소음차폐’ 건축재를 만들 수 있다. 한마디로 메타물질은 공학자에겐 꿈의 소재이다.

원병묵 성균관대 교수 신소재공학

물질 본연의 특성을 ‘물성’이라고 하며, 구조를 바꿔 새로운 물성을 가지도록 만든 물질이 ‘메타물질’이다. 여기서 ‘메타’라는 말은 ‘본연의 한계를 넘어선다’는 뜻이다. 과학저널 ‘네이처’는 ‘원하는 방식으로 파동에 반응하도록 설계한 공학적 구조물’을 메타물질로 정의한다. 자연에 존재하는 물질은 원자로 구성되는데, 메타물질은 공학적으로 합성한 ‘메타원자’로 구성된다.

메타물질의 핵심은 ‘메타원자’와 ‘배열구조’에 있다. 자연에 존재하는 원자에서 얻을 수 있는 물성은 한계가 있다. 메타물질은 새로운 물성을 부여한다. 그 원리를 살펴보면, 빛이나 소리는 물결처럼 ‘결’의 형태를 가지며 결의 너비인 ‘파장’을 가진다. 파동은 물질을 통과할 때 진공을 통과하는 것과는 다른 반응을 한다. 원리적으로 모든 물질은 양(+)의 물성을 가진다. 메타물질은 메타원자의 배열을 조절해 양의 물성을 상쇄하여 음(-)의 유효물성을 갖도록 한다. 결과적으로 메타물질은 기존 물질의 물성을 뛰어넘는 유효물성을 갖도록 설계한 복합체이다. 자연의 물질에서 얻을 수 없는 새로운 물성의 시대가 열린 것이다.

음의 굴절률, 음의 열팽창률, 음의 홀계수 등과 같은 음의 물성이 대표적 메타물성이다. 음의 물성은 기존 물질에서는 절대로 얻을 수 없다. 자성이 없는 물질에서 자성이 있는 메타물질을 만들 수 있고, 물성이 모든 방향에 따라 동등한 ‘등방성’ 물질에서 물성이 방향에 따라 다른 ‘이방성’ 구조물을 만들 수 있고, 화학적으로 비대칭인 ‘카이랄성’ 구조를 가지도록 물질을 합성할 수도 있다. 메타물질은 지금까지 알려진 모든 물질의 물성을 새로운 구조설계에 의해 자유롭게 제어해 인류의 꿈을 실현시키고 있다.

이제 메타물질 분야는 고체물리 지식을 바탕으로 컴퓨터 재료 설계의 도움을 받아 불필요한 실험 과정을 줄이며 빠르게 성장하고 있다. 가공이 쉽고 설계가 복잡하지 않은 저차원 메타물질부터 3차원 구조의 메타물질까지 발전하고 있다. 특히 지난 20년 동안 선형 전자기학 분야와 관련해 크게 성장했으며, 오늘날 전자기학, 광학, 역학, 음향학, 전달현상 등 거의 모든 고체 물성 영역으로 확장하고 있다. 현재는 나노기술과 계산과학의 결합으로 매우 복잡한 3차원 주기적 배열구조도 자유롭게 제어한다. 최신 메타물질은 공학적 한계를 극복하고 과학기술을 예술의 경지까지 끌어올리고 있다.

메타물질은 이제껏 상상의 세계에서만 가능했던 물성을 현실의 세계에서 실현할 수 있도록 해준다. 음의 유효물성을 실현한 전자기학, 광학, 음향학, 역학 분야의 차세대 메타물질 개발은 정보통신 기술혁신을 견인하고 있으며, 비등방성 열전도도, 비대칭 전자이동, 비등방성 전자 텐서, 거대 자기저항, 강화 열기전력 소재 등 전달현상을 제어한 차세대 메타물질 개발은 에너지 기술혁명을 앞당기고 있다. 메타원자의 종류와 배열구조의 자유도는 거의 무한대라 할 수 있다. 이에 실현 가능한 메타물질의 기술도 무한대에 이른다.

나노기술과 3차원 인쇄기술은 메타물질의 발전에 중요하다. 평면 인쇄기술에서 세 가지 기본 컬러 잉크에서 수많은 컬러를 혼합해 인쇄를 구현하듯 앞으로는 3차원 인쇄법으로 기본 잉크를 사용해 수많은 유효물성을 동시에 부여하며 자유롭게 물성 제어를 실현할 것이다. 새로운 물성에 도전하는 메타물질의 전망은 매우 밝다.

원병묵 성균관대 교수 신소재공학