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[2668호] 2021.07.26
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[과학]이제는 메타시대… 투명망토, 초박막렌즈가 현실로

김형자  과학칼럼니스트 bluesky-pub@hanmail.net 2021-07-28 오후 4:32:40

▲ 3차원 가상세계를 구현하는 메타버스에서는 메타물질을 이용한 초박막렌즈 기술이 적극 활용될 전망이다. photo 셔터스톡
누구나 한 번쯤 몸에 걸치고 타인의 시선에서 벗어나기를 꿈꿔봤을 마법의 투명망토. 투명화 기술에 의해 허공에 떴다 순식간에 사라지고 마는 우주선. 영화 속 판타지를 현실로 실현해줄 메타물질의 등장으로 미래산업이 새롭게 열릴 전망이다. 인류의 운명을 바꾼 돌, 청동, 철처럼 메타물질도 인류의 역사를 구분하는 기준의 소재가 될 것이 틀림없다.
   
   
   메타물질로 빛의 굴절률 조절
   
   메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 갖도록 구현한 인공 구조물이다. 기존 재료를 섞거나 분리해 합금이나 고분자물질 등을 만들어내는 것이 아닌 아예 새로운 물질을 창조해낸다. 빛의 파장보다 짧은(작은) 규모의 구조를 만들어내는 나노기술 발달 덕분에 빛의 파장보다 작은 초미세 구조의 인공 원자들을 표면에 배열해 특수한 기능을 하도록 한다. 자연에 존재하는 물질이 원자로 구성된다면 메타물질은 공학적으로 합성한 ‘메타원자’로 구성된다. 메타(meta)는 희랍어로 ‘범위나 한계를 넘어서다’라는 뜻이다.
   
   투명망토는 메타물질의 대표적 사례다. 우리가 사물을 볼 수 있는 건 빛의 반사 때문이다. 반사된 빛이 우리 눈으로 들어와 물체의 색깔이나 형태를 보게 한다. 반대로 빛이 100% 흡수되면 검게 보이고, 물체가 빛을 모두 투과시키면 투명하게 보인다. 보통 자연계 물질은 빛과 ‘양(+)의 굴절률(입사각 기준으로 오른쪽으로 굴절되는 현상)’을 갖고 반응한다.
   
   반면 수백㎚ 크기의 메타물질은 빛을 심하게 휘게 하는 음(-)의 굴절률을 만든다. 메타물질의 핵심은 ‘메타원자’와 ‘배열구조’에 있다. 메타원자의 배열을 조절해 양의 물성을 상쇄하여 음(-)의 굴절률을 갖게 한다. 음(-)의 굴절률은 시냇물이 돌을 만났을 때 휘돌아 흘러가는 것처럼, 빛이 물체의 가장자리를 따라 지나가게 한다. 자연적으론 불가능한 굴절률로 빛을 휘어져 지나가게 하는 것이다. 이렇게 되면 반사되는 빛이 없어서 우리 눈에는 마치 대상 물체가 사라진 것처럼 보이지 않게 된다. 굴절률 차이에 의한 빛의 꺾임 현상, 이것이 투명 물체의 과학적 원리다. 당연히 자연계에는 이 같은 방식으로 빛을 굴절시키는 물질이 없다.
   
   투명화 기술은 눈에 보이는 가시광선을 휘게 하는 것이 목표다. 그런데 현재는 빛의 파동 제어만이 아닌 전자기파나 음파를 휘게 하는 메타물질 개발에도 성공한 상태다. 지진파, 수면파 등에도 적용 가능하다. 음파를 휘게 하는 메타물질은 최근 중국과학원(CAS) 음향학연구소 양쥔 교수팀이 개발했다. 금속 메타물질로 사면체 8개를 이어 붙인 팔각뿔 형태의 3차원 구조체로 일명 ‘음향 투명망토(UACC)’다. 공명현상을 활용한 이 음향 투명망토를 덮으면 음파가 마치 텅 빈 공간을 지나가는 것처럼 변형돼 어떤 음파도 반사시키지 않는다.
   
   가장 진전된 연구는 미국 에너지부(DOE) 산하 로렌스버클리연구소에서 만든 투명망토다. 울퉁불퉁한 표면으로 빛을 산란하는 금 소재의 ‘나노 안테나’를 사용해 투명망토로 물체를 덮으면 물체의 모양은 그대로 유지하면서도 가시광선에서 보이지 않는다. 이 망토가 주목받는 이유는 물체의 3차원(3D) 굴곡이 그대로 드러나기 때문이다. 3D 물체를 가시광선 영역에서 사라지게 한 첫 연구로 학계에 엄청난 이슈가 되었다.
   
   존재하는 실물을 보이지 않게 만드는 메타물질(투명화 기술)의 쓰임새는 무궁무진하다. 가령 항공기의 조종실 바닥을 투명하게 만들면 착륙 시 조종사들이 활주로 바닥을 한눈에 내려다볼 수 있다. 고개를 밑으로 내리고 보면 착륙장치는 제대로 펴졌는지, 보조날개는 제대로 작동되고 있는지 등을 금세 확인할 수 있다. 또 메타물질을 자동차에 적용할 경우 후진할 때 뒤쪽을 확실하게 살펴볼 수 있어 사고를 막을 수 있다. 의료 분야에도 적용 가능하다. 의사들이 수술할 때 수술도구와 의료기기를 투명화하면 환부를 환히 들여다볼 수도 있다. 층간 소음을 흡수하는 ‘소음 차폐’ 건축재를 만들 수도 있을 것이다.
   
   
▲ 일본 닛산자동차가 메타물질로 만든 소음제거장치. photo 닛산자동차

   초박막렌즈 기술이 메타버스 시대 열어
   
   메타물질의 역할은 군사 목적의 스텔스 기술에서 더욱 드러난다. 빛이나 소리, 열에서 발생하는 적외선 등은 전투기나 잠수함 등에서 적에 탐지되기 쉬운 요소다. 이 때문에 최신예 전투기는 레이더를 피하기 위해 마이크로파에 스텔스를, 잠수함은 소리에 대한 스텔스를 구현하고 있다. 스텔스는 적의 레이더로부터 아군의 무기 체계를 투명인간처럼 완전히 숨겨주는 것이 아니라 레이더상에서 실제보다 최대한 작게 보이게 하는 기술이다. 이미 미국 국방부에서 전자기파를 튕겨내지 않고 흘려보내는 스텔스 기능이 상당한 수준으로 연구돼 차세대 전투기, 잠수함 등에 구현될 전망이다.
   
   국내의 파동에너지극한제어연구단과 연세대 조형희 교수팀은 적외선과 레이더 모두에서 스텔스 기능을 발휘하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 이 기술은 실제로 2030년대까지 한국군의 항공기와 함정 등에 적용해 실용화할 것으로 전망된다. 잠수함 등의 표면에 필름 형태의 메타물질을 부착하거나 적외선의 열을 근본적으로 제어하는 기술이 핵심이다.
   
   한편 메타물질이 빛의 굴절률을 다루는 만큼 휘거나 접히는 디스플레이, 카메라, 반도체에도 활용될 수 있다. 삼성전자는 스마트폰 카메라 렌즈 부위가 툭 튀어 나와 있는 ‘카툭튀’ 현상을 해결하기 위해 메타렌즈 활용을 검토 중이다. 메타렌즈는 평평한 유리막 위에 뿌려진 나노입자가 빛이 들어오는 정도나 굴절률 등을 조절하는 것으로, 렌즈는 평면인데 볼록렌즈와 같은 기능을 갖는다. 지난 1월 포스텍 기계·화학공학과 노준석 교수와 삼성전자 종합기술원 연구진은 메타물질을 이용해 볼록렌즈보다 100배 얇은 1㎛의 초박막 메타렌즈를 개발했다. 볼록렌즈는 최소 1㎝ 두께를 가져야 빛을 모을 수 있다. 삼성전자가 스마트폰에 메타렌즈를 적용한다면 스마트폰 카메라 모듈 시장에 일대 전기가 마련될 것이라는 분석이다.
   
   초박막렌즈 기술은 가상현실(VR), 증강현실(AR) 등에서의 상용화 가능성이 크다. 특히 메타버스에서 적극 활용될 것으로 보인다. 메타버스(Metaverse)란 현실세계를 뜻하는 ‘유니버스(universe)’와 가상·추상·초월 등을 뜻하는 ‘메타’의 합성어로, 현실과 가상의 경계가 사라진 3차원 가상세계를 말한다. 기존의 가상현실이 현실을 가상의 공간으로 만들었다면, 메타버스는 내 아바타가 가상의 공간에 직접 들어가 사회, 경제, 문화, 운동 활동을 한다. 웨어러블 형태의 얇은 안경 하나만으로도 메타버스 구현이 가능하다.
   
   진짜 과학의 혁신은 메타물질이 앞으로 어떤 가능성을 보여줄지에 달려 있다. 국내의 삼성전자, LG디스플레이, 구글, 애플, 메르세데스-벤츠 등 글로벌 기업들이 메타물질에 적극 투자하는 이유다. 그 가능성은 무궁무진하다.
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