음의굴절률(Negative-index refraction)을 가지는 메타물질(Metamaterials)과 투명망토

티스토리 개설 후 첫 글에 대한 고민을 많이 했는데

대학원 때 처음 접한 주제가 메타물질(Metamatrial) 이었습니다.

물론 메타물질로 졸업을 하게 된 건 아니지만

리서치와 샘플 제작까지는 진행을 했던 기억이 나네요.

대학원 입학이 나의 인생에 무모한 걸음을 내딛는 첫걸음이었던 것처럼

티스토리에서 첫걸음 내딛는 글로 적합한 주제라는 생각이 드네요.

그렇게 대중적인 주제라는 아니라고 생각을 하지만...

What is Metamaterials?

이렇게 묻는 다면 전 이렇게 대답을 할 것 같습니다.

Metamaterials engineered to have properties not in naturally occurring materials

즉, 우리가 살고 있는 자연세계에는 존재하지 않는 물질로 인위적으로 만들어진 물질을 메타물질이다.

메타물질이라는 개념을 확장해서 보자면 새로운 분야는 아닙니다.

광학필터나 편광필터 등과 같은 것들이 메타물질의 좋은 예시라고 생각합니다.

하지만, 어느 순간 메타물질이 주목을 받기 시작을 합니다.

영화 해리포터에서 주인공이 쓰는 투명망토가

그 주목을 증폭시키는 기폭제 역할을 했을 거라고 생각합니다.

정확히 말을 하자면 메타물질보다는 Negative-index refraction 때문에 그렇습니다.

음의 굴절률이라는 일반적인 상황에서는 존재할 수 없는 것들이 구현이 가능해졌기 때문입니다.

사실, 음의 굴절률의 개념을 처음으로 제시한 사람은 러시아 물리학자 Victor Veselago입니다.

1968년 실제 논문으로도 거재가 되기도 했습니다.

음의 굴절률은 Maxwell Equation의 Solution으로 유전율과 투자율이 (-)을 가지게 됩니다.

이런 현상은 자연계에서는 절대 존재할 수 없는 값들이죠.

하지만 Veselago의 이론을 확장해

1999년 영국의 임페리얼 칼리지의 존 펜드리 교수는

"물질의 내부 구조를 미세한 수준에서 인위적으로 바꿀 수 있다면 빛에 대한 성질도 조절할 수 있다"는

사실을 확인하고 메타물질을 이용해 존재하는 물질을

사람의 눈에 보이지 않게 만들 수 있다는 개념을 제시하게 됩니다.

동시에 끊어진 고리 형태의 SRR(Split Ring Resonator) 구조를 제시합니다.

이런 구조로 인해 유전율과 투자율이 음성을 띄는 특성을 가질 수 있게 됩니다.

그 후 2006년 미국 듀크대학의 데이비드 스미스 교수팀은

존 펜드리가 제시한 SRR 구조를 토대로

실제 메타물질을 만들어 투명망토 구현하게 됩니다. 

그렇게 메타물질의 관심은 폭증하게 됩니다.

그 후 여러 곳의 연구팀에서 진보된 형태의 투명망토를 만들게 됩니다.

메타물질의 구조중 하나를 보자면

TW-SRR 구조

SRR(Split Ring Resonator)와 TW(Thin Wire)를 합쳐놓은 TW-SRR구조입니다.

사진과 같은 구조를 인위적으로 만들게 되면

Cell 하나는 하나의 Atom으로 인식을 하게 됩니다.

이런 독특한 구조로 때문에 음의 굴절률을 구현할 수 있습니다.

그럼 도대체 음의 굴절률이 구현이 된다면 어떻게 해서 물체가 보이지 않는 것일까요?

보통 우리가 보는 모든 것은 반사된 빛입니다.

메타물질을 만들어 음의 굴절률은 이 된다면 빛이 반사가 되는 것이 아닌

메타물질 주변으로 빛의 경로를 왜곡시켜 그 뒤를 보이게 하는 원리입니다.

ref : https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=27382725&memberNo=38486222

사진으로 보니 이해가 더 쉽게 되시죠?

이런 식으로 메타물질은 빛의 경로를 왜곡시키게 됩니다.

즉, 우리는 반사된 빛으로 모든 물체를 볼 수가 있는 것인데

음의 굴절률 가지게 되는 메타물질이 있다면 빛의 경로를 왜곡시켜

우리가 보고자 하는 물체를 볼 수 없게 만들게 되는 것이죠.

그럼 실제 사람이 투명망토를 쓰고 나온다면

우리는 정말 그 사람을 볼 수 없는 것일까요?

예를 들어 가시광선에 투명한 망토가 있다고 하더라도

망토를 우회하는 빛과 직진하는 빛의 도착시간 차이 때문에

투명한 상이 일그러져 보이게 됩니다.

우리가 투명망토 쓴 사람을 보게 된다면

우리는 그 사람의 투명상이 일그러져 보이기 때문에

해리포터와 같은 완벽한 투명망토는 현재 기술로는 불가능합니다.

물론 근본적인 한계는 있지만 기술이 더 발전이 된다면 불가능한 일은 아닐 것 같습니다.