메타물질, 자연의 한계를 넘어 미래 기술을 디자인하다

투명 망토'부터 차세대 통신까지, 인공 구조물이 바꾸는 세상

19세기 초, 프랑스는 등대의 조명을 더 멀리, 더 밝게 전달할 방법을 찾고 있었다. 당시 조명용 볼록렌즈는 무겁고 비싸 성능을 높이려면 더 두껍게 만들어야 했다.

젊은 물리학자 프레넬은 이 문제를 전혀 다른 방식으로 풀었다. 빛을 굴절시키는 데 꼭 필요한 표면만 남기고 나머지를 계단형으로 잘라낸 프레넬 렌즈를 고안한 것이다. 재료나 물리법칙은 그대로 두고, 형태와 구조를 바꿔 성능을 끌어올린 발상이었다.

이후 과학자들은 구조 설계만으로 물질의 기능을 달리할 수 있다는 가능성을 더 넓은 영역으로 확장했다. '메타물질(meta material)'은 그 대표적인 예다. 빛, 소리, 전파, 열처럼 파동의 성질을 조작할 수 있도록 미세하게 설계된 인공 구조물이 바로 메타물질이다.

핵심은 재료의 성분이 아니라 파장보다 작은 단위로 배열된 미세 구조에 있다. 이 구조가 파동의 진행 방식에 영향을 줘 굴절률이나 반사율, 투과성 같은 물리적 성질이 새롭게 나타난다. 단순한 조성보다 공간의 형태를 수학적으로 설계해 물질의 응답을 바꾸는 기술이다.

모양으로 파동을 제어… '더 얇게, 더 강하게'

홍성훈 한국전자통신연구원(ETRI) 스마트소재연구실 박사는 "메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특이한 물성을 구현할 수 있는 가공된 인공적 물질"이라면서 "구조·형상·배열 등을 조절해 물질의 특성을 원하는 대로 구현할 수 있다"고 설명했다. 이런 방식 때문에 메타물질은 무게와 부피를 줄이면서도 성능을 높여 다양한 기술 분야에서 주목받고 있다.

2006년 미국 듀크대학교의 데이비드 스미스 교수 연구팀과 영국의 존 펜드리 교수가 메타물질을 이용, 특정 주파수의 마이크로파를 우회시키는 방식으로 '투명 망토'의 원리를 성공적으로 시연하면서 일반 대중에게도 널리 알려진다.

메타물질은 광학 분야에서 가장 먼저 실용화 가능성을 보여줬다. 기존 렌즈는 두꺼운 유리를 통해 빛을 굴절시키지만, 메타렌즈는 나노미터 단위로 설계된 표면 구조를 이용해 빛을 모은다.

이 방식은 얇고 가벼운 렌즈를 구현해 스마트폰 카메라나 AR·VR 기기, 웨어러블 디스플레이의 소형화에 유리하다. 디스플레이에서는 특정 파장의 빛만 선택적으로 투과·반사해 고해상도 OLED, QLED, 홀로그램 등을 제작할 수 있다.

전자기파의 진행 경로를 바꾸는 데에도 메타물질은 효과를 발휘한다. 전파가 물질을 통과하거나 반사될 때의 각도와 세기는, 그 내부 구조에 따라 크게 달라진다. 메타물질은 이 구조를 정밀하게 설계해 전파를 한쪽으로 휘게 하거나 특정 방향으로 집중시킬 수 있다.

이 기술은 위성통신, 무선 송수신, 6G 통신용 고감도 안테나 등 통신 분야에서 활용 가능성이 크다. 실제로 미국의 민간 기업 키메타(Kymeta)는 메타물질을 활용한 평판형 위성 안테나를 개발해 선박과 항공기 등에서 이동 중에도 위성 신호를 안정적으로 수신하는 기술을 상용화했다.

빛을 휘고, 전파 방향을 바꾸며, 에너지를 제어하는 기술

국방 분야에서는 전자파를 흡수하거나 산란을 줄이는 기능을 통해 스텔스 기술에 응용되고 있다. 전자기파 차폐재, 레이더 흡수체, 무선 신호 간섭 차단 소재 등에서 메타물질이 실용적 대안으로 검토되고 있다.

에너지 효율과 정밀 제어 기술도 메타물질이 진화시키고 있다. 열이나 소리처럼 파동의 성질을 지닌 물리량도 제어할 수 있다. 빛과 마찬가지로 열이나 소리도 파장에 따라 반사되거나 흡수되며, 전달 경로가 구조에 따라 바뀐다. 미세 구조를 정밀하게 설계하면 기존 소재로는 구현하기 어려운 방식으로 열과 음향을 조절할 수 있다.

메타물질의 실용화 가능성을 가장 먼저 보여준 영역은 광학 분야다. 메타렌즈는 얇고 가벼운 렌즈를 구현할 수 있다. 스마트폰 카메라, AR·VR 기기, 웨어러블 디스플레이의 소형화에 유리하다. 픽사베이 제공

태양광 발전 패널에서는 적외선과 자외선을 차단하고 가시광선만 통과시키는 필터 구조를 적용해 과열과 열화를 줄이고 발전 효율을 높일 수 있다. 건축용 창호나 전자기기 내부의 방열 소재는 불필요한 에너지 손실을 막고 열 제어 성능이 향상될 수 있다.

음향 메타물질은 특정 주파수의 소리를 차단하거나 왜곡해 들리지 않게 만드는 기술로, 방음 설비나 고감도 음향 센서, 맞춤형 소리 필터링 기기에 적용할 수 있다. 진동의 전달 경로를 바꾸는 방식으로, 기계적 충격이나 진동을 정밀하게 조절하는 기술도 연구되고 있다.

의료·바이오 분야에서도 새로운 가능성을 보여준다. 특정 주파수의 파동을 선택적으로 증폭하거나 집중시킬 수 있기 때문에 매우 미세한 생체 신호나 병리학적 변화를 감지하는 고감도 센서를 구현할 수 있다. 극소량의 바이러스, 암세포, 질병 마커 등을 기존보다 더 정밀하게 식별할 수 있어 조기 진단과 정밀 진단 기술에 적용될 수 있다.

빛이나 열, 음파를 원하는 지점에만 집중시켜 병변을 선택적으로 자극하거나 파괴할 수 있고, 최소 침습적 시술이나 표적 치료에 유리하다. 메타물질 구조에 특정 약물을 결합해 체내에서 특정 조건이 충족될 때만 약물이 방출되도록 설계하는 방식도 연구되고 있다. 스마트 약물 전달 시스템으로 불리는 이 기술은 약물 효율을 높이고 부작용을 줄이는 데 기여할 수 있다.

포항공대, 제조 혁신으로 상용화 앞당겨

메타물질은 아직 상용화 초기 단계지만, 한국은 특히 제조 기술 분야에서 두드러진 경쟁력을 보이고 있다. 노준석 포항공과대(POSTECH) 교수 연구팀은 메타렌즈의 대량생산 공정을 개발해 소형화된 고성능 광학기기의 현실화를 앞당겼다.

노준석 포항공대 기계공학과 교수.

메타물질은 나노미터 수준의 구조체를 정밀하게 배열해야 하기 때문에 기존 공정으로는 생산 단가가 지나치게 높았다. 실제 2019년만 해도 카메라용 메타렌즈 한 장의 가격이 500만원(4000달러)에 달했다.

그러나 노 교수팀은 반도체 공정을 응용해 제조 비용을 획기적으로 낮춰 현재는 메타렌즈를 기존 광학계보다 저렴한 1만원(8달러) 미만으로 생산할 수 있는 기반을 마련했다.

노 교수는 "공정 단가를 획기적으로 낮춰 기존 굴절광학계보다 더 낮은 가격으로 메타렌즈를 대량생산하는 기술을 가지고 있다"면서 "이는 세계에서도 우리 연구실만 할 수 있는 선도적인 기술"이라고 강조했다.

그는 "포스코의 지원을 받아 포항공대와 포항산업과학연구원(RIST)이 협력해 메타렌즈 대량 생산 기술을 완성했고, 전 세계 기업과 연구소에서 협력을 요청받고 있다"면서 "증강현실 안경, 초소형 카메라, 홀로그램 디스플레이 등 다양한 분야에서 실용화를 추진 중"이라고 밝혔다.

삼성전자와 LG전자 등 국내 기업들도 6G 통신, 차세대 디스플레이, 고감도 센서 등 다양한 분야에서 메타물질의 가능성에 주목하고 있다. 산학 협력을 통해 기술을 검증하고, 실제 제품 적용 가능성을 탐색하는 연구도 늘고 있다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr