물방울로 투명망토 만들 수 있다

과학기술

물방울로 투명망토 만들 수 있다
이영백 한양대 교수팀, 물방울 메타물질 개발

2015.11.27 09:25 이슬기 객원기자

오늘날 가장 중요한 기술 중 하나는 바로 스텔스 기술(Stealth technology)이다. 레이더 상에 적을 속여 생존성을 높일 수 있도록 하는 기술로, 핵심은 바로 레이더 파를 어떻게 산란시키고 흡수시키느냐에 달려있다.

지난 9월 학술지 ‘사이언티픽 리포트'(Scientific Reports)를 통해 물방울로 만들어진 스텔스 기능의 메타물질이 개발되었다는 연구가 발표되었다. 한양대학교 이영백 교수팀의 연구이다. (원문링크)

이번 연구를 주목하는 이유는 바로 메타물질이 특별하게 만들어졌기 때문이다. 일반적인 메타물질은 금속박막의 형태를 띠고 있다. 연구팀은 세계 최초로 물방울로 스텔스 기능을 가진 메타물질을 만드는데 성공했다. 연구팀의 이영백 교수에게 연구에 대한 이야기를 들어보았다.

한양대학교 이영백 교수팀은 물방울을 이용하여 세계 최초로 스텔스 기능을 갖춘 메타물질을 만드는데 성공했다. ⓒ 이영백

레이더에서 발사된 마이크로파가 비행기에서 반사되어 검출기 속으로 들어가서 감지된다. 발사되는 마이크로파가 반사되지 않기 위해 비행기의 구조를 바꾸거나 흡수시키는 표면을 만들게 된다. 이것이 바로 스텔스 기술이다.

그래서 비행기가 마이크로파를 다 흡수하거나 산란시켜버린다면 검출기에서 검출을 하지 못하게 된다. 100% 흡수하게 되면 더 좋은 기능을 갖게 되는 것인데, 이영백 교수팀은 물방울을 이용하여 스텔스 기능을 갖춘 메타물질을 만들어냈다.

물방울의 직경과 높이를 적절히 계산해서 주기적으로 배열하였고, 그 과정에서 금속보다 낮은 전기전도도를 갖는 물방울로도 마이크로파 영역에서 광대역인 메타물질을 구현해냈다. 메타물질은 설계에 따라 여러 응용성을 갖는 독특한 성질을 가지고 있다.

자연에서 발견되지 않은 특성을 가진 물질

메타물질(Metamaterial)은 자연에서 발견되지 않은 특성을 가지도록 인위적으로 만들어진 물질이다. 자연적인 물질들이 할 수 없는 방식으로 빛, 전자파 또는 음파와 상호 작용하도록 설계된다. 빛뿐만 아니라 전자파 또는 음파 등 일반적인 파동의 전파도 재단할 수 있다.

이영백 교수는 보통 전자파의 파장 사이즈 정도로 특정한 구조를 주기적으로 배열하게 되면 특이한 자기적, 전기적 성질을 보이게 된다고 했다. 이는 인위적으로 이와 같은 성질을 제어할 수 있다는 것을 의미한다. 성질이 변하게 되면 전자기적 성질이 변하게 되고, 광학적 성질도 변하게 된다.

지난해 이영백 교수팀은 저주파용 메타물질의 크기를 작게 만드는 데도 성공했다. 저주파로 내려가면 파장이 길어지는데, 휴대폰에 사용되는 마이크로파도 여기에 해당한다. 작게 만든 저주파용 메타물질을 이용하게 되면 휴대폰을 사용하면서도 전자파를 더욱 완벽히 차단할 수 있다.

현재는 여러 사정을 감안하여 어느 정도 성능의 전자파를 방지하는 전자파 차폐재를 사용하고 있지만, 개선의 여지가 많다. 이영백 교수는 지난해 개발한 저주파용 메타물질이 더 개발되면 현재의 세라믹 차폐재를 대체할 수 있을 것이라고 전망했다.

“금속 물질이 아니어도 메타물질을 만들 수 있다”

보통 메타물질을 만들게 되면 여러 층이 있는데, 그 중에 하나에는 반드시 금속 층이 들어가야 한다. 금속이 메타물질의 전기적, 자기적 성질을 바꿔주는 역할을 한다. 이영백 교수는 금속 물질이 아니어도 메타물질을 만들 수 있다고 설명했다. 이번 연구에 활용된 물도 전기가 통하는 물질이다.

다만 금속보다는 덜 통하는 저전기전도도 물질이다. 하지만 이영백 교수팀은 물도 어느 정도 전도가 있는데다가 이온전류가 흐른다는 것을 생각해냈다. 이온전류를 잘 이용하면 금속 못지않게 전류를 활용할 수 있다는 생각을 하게 되었다고 말했다.

이번 연구를 통해 이영백 교수는 낮은 전도도가 되어도 다른 종류의 전도도를 활용하게 되면 금속 못지않은 효과를 거둘 수 있고, 조절도 할 수 있다는 것을 알게 되었다고 말했다. 물이 전도도가 낮으니까 별로 좋지 않다고 생각했었는데, 이를 뒤집어 상식을 파괴하는 것에 도전한 것이다.

이영백 교수팀에서 평범한 물질을 가지고도 메타물질을 만들어보자는 생각을 했고, 그렇게 해서 고르게 된 것이 물이었다. 실제로 이영백 교수는 물에서 끝나는 것이 아니라 평범한 물질을 바탕으로 메타물질을 만들어가는 연구를 지속적으로 할 예정이라고 밝혔다.

연구팀이 개발한 물질은 플라스틱 뿐만 아니라 종이와 유리 등 다양한 물질 위에도 만들 수 있어 활용도가 높다. ⓒ 이영백 / Scientific Reports

평범한 물질에서 메타물질을 만들어내다

보통 메타물질은 플라스틱에 금속을 입히는 방식으로 만들고 있는데, 물을 이용하게 된다면 종이에도 메타물질을 만들 수 있게 된다. 그렇게 되면 유연한 어떤 물질에 적용이 가능하다. 이를테면 투명망토를 만드는데도 사용할 수 있다.

스텔스 기술과 투명망토 기술은 유사하다. 만약 금속으로 된 투명망토라면 피해를 입었을 경우에는 금방 복구할 수가 없어 투명망토로서의 기능을 상실하게 될 것이다. 하지만 물로 투명망토를 만들 수 있다면 주위에서 쉽게 구할 수 있기 때문에 어느 정도 긴급조치를 취할 수 있고, 그렇게 되면 훨씬 더 세상은 편해질 수 있을 것이다.

이영백 교수는 이번에 개발된 새로운 메타물질은 기존의 스텔스를 넘어서는 재료로 사용될 수 있으며, 감지기나 투명망토 등 다양한 용도로 활용될 수 있다고 설명했다. 더불어 메타물질의 사용범위가 더 넓어질 수 있도록 관련 연구를 이어갈 예정이라고 말했다.

영화 ‘해리포터’에는 입으면 보이지 않는 투명망토가 나온다. 영화 속에서만 나오던 투명망토가 실제로 만들어질 수 있는 기술이 개발되고 있는 것이다. 실제로 투명망토가 만들어진다면 굉장한 일들이 일어나지 않을까.

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