'스마트 메타물질'이 뭐야?…"투명망토라는데"

[아시아경제 정종오 기자]해리포터의 투명망토가 과학의 발전으로 조금씩 현실화되고 있다.

연세대 김경식 교수(기계공학과)가 중심이 된 국내 연구진이 '스마트 메타물질'을 이론적으로 제안하고 투명망토를 실험적으로 구현하는데 성공해 관심을 모으고 있다. 스마트 메타물질(Smart Metamaterials) 은 자연계에 존재하지 않는 특성을 갖는 인공물질이다. 탄성변형 등의 외부자극에도 특정 기능을 지속적으로 유지할 수 있도록 광학굴절률 값이 스스로 조절되는 것을 말한다.

사람이 물체를 볼 수 있는 것은 빛이 물체에 부딪히면서 반사돼 눈으로 들어오기 때문이다. 투명망토는 가리고자 하는 물체에 빛이 반사되거나 흡수되지 않고 뒤로 돌아가게 해 물체가 마치 없는 것처럼 보이도록 한다. 빛이 물체에 닿지 않고 뒤로 돌아가도록 하기 위해서는 인위적으로 일정한 굴절률을 만들어야 한다. 이번 연구에도 참여한 스미스 교수와 영국의 펜드리(Pendry) 교수가 지난 2006년 세계 최초로 투명망토의 재료가 되는 메타물질을 만들었다.

그런데 메타물질은 한계가 있었다. 메타물질 투명망토는 숨기려는 물체에 맞춰 설계했기 때문에 일정한 형상을 가지고 있다. 따라서 접거나 그 모양이 변하면 투명망토의 기능을 잃게 된다. 또 작게 만들려면 공정이 어렵고 매우 긴 시간이 걸렸다.

이번에 개발된 김경식 교수 연구팀의 '스마트 메타물질'은 이런 메타물질의 한계를 뛰어넘었다. '스마트 메타물질'을 자체 제작해 공상과학(SF) 영화에서처럼 마음대로 변형시켜도 성질을 계속 유지하는 신축성 있는 투명망토 개발 가능성을 열었다.

연구팀은 굴절률뿐만 아니라 특정한 탄성을 동시에 만족시켜 투명망토를 압축해도 굴절률의 분포가 투명망토의 광학적 성질을 자동으로 만족시킬 수 있음을 이론적으로 증명했다. 지속적으로 숨길 수 있음을 보여준 것이다. 또 압축성이 뛰어난 실리콘 고무 튜브 구조를 이용해 마이크로파 영역(10기가헤르츠)에서 투명망토를 실험적으로 검증했다.

▲투명망토 이미지

예컨대 구멍이 많은 스펀지를 손가락으로 눌렀을 때 압축된 표면 부근의 밀도가 유난히 커지는 분포를 갖는다. 이 때 높은 밀도의 스펀지는 광학적으로도 높은 굴절률을 갖게 되는데 스마트 메타물질 투명망토에서 필요한 굴절률 분포의 변화가 가능해진다.

압축변형이 일어나도 실리콘 고무의 밀도 분포가 투명망토의 굴절률 분포를 자동으로 만족시키는 탄성계수와 굴절률을 동시에 갖도록 인위적으로 광·탄성 결정구조를 설계·제작해 '스마트 메타물질'을 처음으로 개발한 것이다.

김경식 교수는 "이번에 개발된 투명망토는 기존의 기술과 달리 역학적 성질과 광학적 성질을 동시에 가진다"며 "앞으로 기계공학과 광학의 융합연구가 활발히 이뤄져 탄성변형을 이용한 대면적의 투명망토 제작이 가능하게 될 것으로 예상된다"고 말했다.

이번 연구는 김 교수가 주도하고 신동혁 박사과정생(제1저자)과 미국 듀크대 스미스 교수가 참여했다. 세계 최고 과학전문지 '네이처'의 온라인 자매지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 최신호(11월 20일자)에 게재됐다.

정종오 기자 ikokid@