나노기술 및 정책 정보

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● 서울대학교 정인 교수, 한국세라믹기술원 김종영 박사, 포항공과대학교 노준석 교수 공동 연구팀이 음굴절하는 파장대를 정밀하게 조절할 수 있는 벌크 메타물질을 구현

● 지금까지는 이론적으로 계산된 특정 구조체를 첨단 나노세공기술로 조작하여 메타물질을 얻어왔지만, 해당 방식으로는 벌크 소재 제작은 물론 양산도 불가능했던 상황

● 이에 연구팀은 모든 방향에서 하이퍼볼릭 성질을 보이는 벌크 메타물질을 합성하는 전략을 개발하고, 센티미터(cm) 크기의 벌크 소재로 구현

● 연구 과정에서 나노미터(nm) 두께로 박리화된 질화 보론과 흑연(또는 수층의 그래핀) 나노혼성층이 정전기적 인력으로 자발적으로 교차 적층되는 합성법을 개발하였고, 교차 적층된 이들 분말을 벽돌처럼 찍어내어 벌크 소재를 획득

● 획득한 벌크 소재는 자유롭게 잘라 쓸 수 있고, 수평/수직 방향 등 모든 방향에서 모든 입사각의 빛을 음굴절시키며, 이는 소재의 측면 방향에서 빛을 음굴절 시킨 최초의 결과

● 기존의 메타물질은 소재를 깎거나, 적층시킨 구조 자체가 물성을 결정하기 때문에 나노세공기술의 기술적 한계는 메타물질 개발을 저해하는 요소였던 상황

● 해당 소재는 질화 보론과 흑연을 섞는 비율, 이들이 박리화된 두께 등이 벌크 메타물질의 성질을 결정하기 때문에 메타성질을 화학적으로 제어할 수 있고, 구성요소의 화학적 조성비, 두께에 따라 음굴절을 보이는 파장대의 정밀 제어가 가능

● 본 연구는 손쉬운 벌크 메타물질 합성법의 실마리를 제공하였으며, 향후 연구팀은 구성요소들을 달리하여 다양한 메타물질을 합성할 계획

※ 용어설명

- 메타물질(metamaterial): 빛을 음굴절시키거나 빛의 파장보다 작은 초점을 만드는 등 자연계에 존재하지 않는 특이성질을 보이는 물질

- 벌크소재 : 입자의 모든 방향으로 길이가 100nm 이상이 되는, 자연계에 일반적으로 존재하는 물질로 수많은 원자들의 조합으로 이루어져 입자의 크기에 무관한 성질을 보임.

- 하이어볼릭 메타물질: 한쪽 방향의 유전율이 다른 방향의 유전율과 부호가 반대인 비등방성 물질로 음굴절 등 자연계에 존재하지 않는 광학적 성질을 보임

음굴절: 자연계에 존재하는 물질을 빛이 통과할 때 양(+)의 굴절률을 보이며 꺽이는데, 이와 반대로 음(-)의 굴절률을 보이며 급격히 꺾이는 현상

※ Journal of the American Chemical Society (2021.11.16.), “Bulk metamaterials exhibiting chemically tunable hyperbolic responses”

※ 과학기술정보통신부, 한국연구재단(중견연구사업) 지원