안녕하세요? LG CNS 대학생 기자단 최태림입니다.

여러분이 잘 알고 계신 조앤 K 롤링의 세계적인 판타지 소설, 해리포터 시리즈 속에서 주인공인 해리포터는 여러가지 사건에 휘말리게 되는데요. 이를 해결하기 위해 모습을 감추는 투명망토를 종종 이용하곤 합니다. 그런데, 이렇게 소설에서나 나오는 투명망토가 곧 현실화 된다는 소식이 들려와서 오늘 이 시간에 여러분께 소개해 드리려고 합니다.

이는 국내 연구진이 개발에 참여한 ‘스마트 메타물질’ 덕분인데요. 2012년에 연세대 기계공학과 김경식 교수 연구팀은 미국 듀크대 데이비드 스미스 교수 연구팀과 함께 스마트 메타물질을 개발했다고 밝히고 과학저널 <네이처>의 자매지인 <네이처 커뮤니케이션스>에 논문을 기고했습니다.

과연 투명망토를 만들 수 있는 스마트 메타물질이란 무엇이며, 어떠한 원리로 작동하는 기술일까요? 현재의 기술로 투명망토를 실현시킬 수 있을까요? 지금부터 같이 보시겠습니다.

스마트 메타물질, 너의 정체가 궁금해!

스마트 메타물질은 스마트(Smart)와 메타물질(Metamaterials)의 합성어인데요. 메타물질이 무엇인지 아시나요?

메타물질은 2006년 영국 임페리얼 대학의 존 펜드리 교수가 처음 제시한 개념인데요. 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현하기 위해 설계된 메타 원자(Meta Atom)로 이루어진 물질입니다. 그래서 메타물질은 자연적인 물질들이 할 수 없는 방식으로 빛, 전자파, 그리고 음파를 조작할 수 있다고 합니다.

이러한 메타물질의 성질을 바탕으로 투명망토와 고성능 렌즈, 효율적인 소형 안테나, 초민감 감지기 같은 새로운 응용 분야에 적용할 수 있는 소재가 만들어졌는데요. 특히 이러한 특성이 있는 소재를 가리켜 스마트 메타물질이라고 합니다.

이 중에서도 오늘 우리가 다룰 소재는 바로 빛의 특성을 이용하는 스마트 메타물질입니다.

마법 같은 투명화를 가능하게 하는 빛의 특성

우리의 눈은 물체에 반사되어 나오는 빛으로 사물을 본다고 인식하는데요. 메타물질의 역할은 이 과정을 조작하여 빛이 물질에 반사되지 못하게 만드는 것입니다.

다시 말해서, 메타물질로 만들어진 물체는 빛이 반사되지 않고 주변으로 굴절되어 가게 하여 사람의 눈에 보이지 않게 만듭니다.

한편, 위의 조건을 만족하는 메타물질은 한계가 존재하는데요. 메타물질은 고정되어 있으면 눈에 거의 보이지 않지만, 조금이라도 압력을 받아 변형되면 원래의 특성을 잃어버리게 됩니다. 물체가 변형되면서 빛이 물체에 반사되는 것이지요. 결국 기존의 메타물질을 이용하여 입고 움직여야 하는 투명망토를 만드는 것은 어려운 일입니다.

특명! 메타물질의 한계를 보완하라

메타물질의 개념을 제시한 존 펜드리 교수는 완벽한 투명망토를 위한 광학적 조건을 제시했는데요. 그는 물체가 변형되어도 투명하게 보이려면 음(Negative)의 푸아송 비율(Poisson’s ratio, PR)을 가져야 한다는 사실을 증명했습니다.

푸아송 비율은 물체에 힘이 작용했을 때 그 물체의 가로와 세로가 얼마나 변형되었는지를 측정하는 기준인데요. 압력을 받은 물체의 가로 변형도를 세로 변형도로 나누고 (-1)을 곱해서 나오는 결과를 의미합니다.

대부분의 물체는 양의 푸아송 비율을 나타내는데요. 물체를 위에서 아래로 누르면 세로의 길이는 줄어들고(-) 가로의 길이는 늘어나기(+) 때문이죠. 반대로, 물체가 음의 푸아송 비율를 가지려면 압력을 가했을 때 물체의 가로, 세로 변형도가 모두 늘어나거나(++) 줄어들어야(–) 합니다.

이러한 연구 결과를 바탕으로, 2012년 국내 연구진은 실리콘 고무를 이용해 신축성이 있으면서도 음의 푸아송 비율을 유지하는 스마트 메타물질을 개발하였습니다.

실리콘 고무는 탄성이 매우 큰 재질입니다. 그래서 한 방향으로 압력을 가해도, 그 부분이 눌리면서 가로, 세로의 변형도가 필요한 만큼 같이 움직입니다. 결국 조금 변형이 된다 해도 비교적 그 특성을 잃지 않을 수 있다는 말이지요. 하지만 실리콘 고무로 만든 스마트 메타물질도 8mm 이상의 깊이로 누르면 한계를 나타냅니다.

이 전의 스마트 메타물질이 가지고 있던 한계점을 보완하고 더 나은 물질에 대한 연구를 계속한 결과, 국내 연구진은 2014년 좀 더 안정된 스마트 메타물질을 만들어 냈는데요.

압력을 받았을 때 가로, 세로의 변형이 균일하게 이루어 질 수 있는 구조를 고안한 것입니다. 이는 다리가 4개인 사다리 수백 개가 서로 발을 맞대고 이어져 있는 구조입니다.

이렇게 만들어진 스마트 메타물질은 이전의 것보다 더 많이 변형시켜도, 굴절률이 적절하게 변하면서 그 기능을 유지했다고 합니다. 해리포터가 쓰던 투명망토가 우리 앞에 나타날 날이 머지 않은 듯 보이는데요. 사실, 투명망토를 대체할 수 있는 제품은 이미 개발되어 있답니다.

투명망토의 현실화, 퀸텀 스텔스(Quantom Stealth)

2012년 겨울, 캐나다의 벤처 회사 하이퍼스텔스 바이오테크놀로지(Hyperstealth Biotechnology)는 ‘퀀텀 스텔스’라는 위장용 재료를 발표했습니다.

스마트 메타물질로 만들어진 이 위장용 재료를 몸에 두르면 빛이 반사되지 않고 모두 굴절되어 주변 환경과 동화됩니다. 얼핏 보면 육안으로도 구별하기 힘들 정도니, 말 그대로 투명망토가 되는 셈이죠.

하이퍼스텔스의 CEO인 가이 크래머(Guy Cramer)는 퀀텀 스텔스의 구체적인 공법을 밝히기는 어렵지만, 투명화를 위해 카메라, 배터리, 별도의 불빛이나 거울 등이 필요 없다고 언급했습니다. 또한 퀀텀 스텔스를 이루는 재료가 되는 스마트 메타물질이 가벼우며 값도 비싸지 않다고 하네요.

여기에 더해서, 그는 퀀텀 스텔스가 각종 군사적 상황에서 유용하게 사용될 수 있다고 강조했는데요. 군복, 무기, 전함 등 어느 곳에 기술을 활용해도 완벽한 은폐 기능을 한다는 것입니다. 이렇듯 현재 스마트 메타물질이 가장 각광받고 있는 곳은 국방과 군사 분야입니다.

스마트 메타물질이 가진 빛을 조작하는 성질은 활용되는 분야가 점점 늘어날 것인데요. 이미 광디스플레이와 의료, 그리고 마케팅 분야도 스마트 메타물질을 눈여겨 보고 있다고 합니다.

자연에 없던 성질을 인공적으로 만들어 이전에는 생각할 수 없었던 결과물을 내는 스마트 메타물질. 앞으로의 발전 가능성만큼 다양한 분야에 활용되어 편리하고 안전한 생활에 도움이 되었으면 합니다.

<참고자료>

논문1: 신동혁 외 9인, Broadband electromagnetic cloaking with smart metamaterials, 네이처 커뮤니케이션스, 2012

논문2: 신동혁 외 4인, A versatile smart transformation optics device with auxetic elasto-electromagnetic metamaterials, 네이처 커뮤니케이션스, 2014