KAIST, 수학적 공간채움 원리 적용한 신소재 개발

KAIST 신소재공학과 신종화, 김도경 교수와 물리학과 이용희 교수 공동 연구팀은 수학의 공간채움 원리를 이용해 기존 기술보다 2000배 이상 높은 유전상수를 갖는 전자기파 신소재를 개발했다고 6일 밝혔다.

이번 연구 결과는 네이처 자매지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 8월 30일자 온라인 판에 게재됐다.


유전상수는 소재의 전기적 성질 중 가장 기본이 되는 성질로 물질 내부의 전하 사이에 전기장이 작용할 때 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 단위이다.

KAIST연구진이 개발한 메타물질의 모식도와 실제 사진../자료제공=KAIST

유전상수를 키우기 위해서는 같은 전기장이 가해졌을 때 더 큰 유전분극이 나타나게 만들어야 한다.

연구팀은 수학적 공간채움 구조를 전자기 소재에 대입했다.


공간채움 구조란 선으로 한 차원 높은 면을 채우는 구조를 뜻한다. 유한한 크기를 갖는 면의 모든 점을 통과하는 연결된 선을 그릴 수 있으며 이 때 선의 길이는 무한대이다.

이를 응용해 기존의 피뢰침처럼 좁은 영역에서만 발생하는 강한 유전분극이 메타물질 공간 내부 전체에 밀집돼 나타나게 만들었다.

또 공간채움 선의 방향을 조절해 밀집된 유전분극이 서로 상쇄되지 않고 합쳐지도록 조절했다.

즉, 좁은 공간에 증대된 유전분극들이 공간채움 구조를 통해 거대하게 발현되는 효과를 고안했고 실제로 구현해 300만 이상의 큰 유전상수를 얻을 수 있었다.

유전상수가 320만이면 이 물질을 활용한 축전기의 전기용량은 진공에 대비해 320만 배 커지고 전자기파를 흡수하는 비율이나 방출하는 속도 또한 320만 배 커진다.

또 굴절률이 약 1800배(유전상수의 제곱근)가 되기 때문에 이 소재 안에서 빛의 속도는 1800배 느리게, 파장은 1800배 짧아진다.

이를 통해 렌즈 등의 소자는 1800배 가량 작게 만들 수 있고 기존의 이미징 장치보다 1800배 세밀하게 물체를 관찰할 수 있다.

사진 왼쪽부터 신종화,김도경,이용희 교수./사진제공=KAIST

특히 아주 얇은 막으로도 원하는 방향으로 전자기파를 반사시키거나 대부분 흡수시킬 수 있기 때문에 전투기나 함정에 씌워서 레이더에 탐지되지 않도록 하는 스텔스 표면 등 국방 응용이 기대된다.

아울러 5G 휴대전화용 안테나 등 무선통신 분야 적용도 가능할 것으로 예상된다.

가시광선에서도 만약 그 원리가 적용된다면 바이러스를 직접 볼 수 있는 수준의 매우 높은 분해능을 가진 현미경 등 더욱 다양한 분야에서 응용할 수 있다는 것이 연구진의 설명이다.

신종화 교수는 "이번 연구로 간단한 수학적, 물리적 원리가 혁신적 성능을 갖는 신소재 개발로 이어질 수 있음을 밝혔다" 며 "이는 기초 원리의 중요성을 확인한 값진 경험이었고 앞으로도 이러한 원리를 기반으로 신소재를 지속적으로 개발할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.