미래창조과학부는 분자 간의 힘을 이용해 나노미터 수준에서 소재의 원하는 모양과 패턴을 제조할 수 있는 분자조립제어 원리를 기반으로 빛의 굴절률을 광범위하게 조절할 수 있는 메타소재를 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다.
한국과학기술원 김상욱 교수 연구팀은 이 물질을 통해 가시광선이 5 이상의 높은 굴절률을 가질 수 있음을 세계 최초로 증명했다. 이는 자연계에 존재하는 일반적인 물질의 평균 1~2 정도의 굴절률에 비해 높다.
비가시적인 적외선이나 전자파 영역의 굴절률을 폭넓게 조절 가능한 메타 소재는 국내 연구진에 의해 기초 연구가 진행된 바 있으나, 가시광선 영역의 굴절률을 광범위하게 조절하는 메타소재에 대한 연구는 국제적으로도 극히 드물었다.
이번에 개발된 메타소재의 금속 나노입자 간 간격은 5nm 이하로 균일해 굴절률의 정밀한 조절이 가능하다. 굴절률은 유전율과 투자율의 곱에 제곱근으로 표현되는데, 이 두 변수 중 하나를 통제하고 나머지 변수를 조절한다면 굴절률의 광범위한 조절이 가능하다.
이번 연구에서는 분자조립제어 기술을 통해 나노미터 수준의 금속 입자를 형성해, 투자율의 변화를 최소화했고, 금속나노입자 간의 간격을 조절함으로써 전자장의 세기를 조절, 다양한 굴절률을 확보할 수 있음을 보였다.
그리고 분자조립제어 기술을 통해 가시광선 파장보다 휠씬 작은 나노입자를 형성했기 때문에 굴절률의 조절 범위를 가시광 영역까지 광범위하게 확대할 수 있었다.
특히 수축 공정을 통해 매우 근접하게 배열된 금속나노입자의 경우, 매우 강한 전기장이 유도돼 가시광 영역에서 매우 높은 양의 굴절률을 가질 수 있음을 증명했다.
가시광선 영역에서 5 이상의 굴절률을 확보 가능한 이번 연구는, 넓은 파장대에서 광범위하게 물질의 굴절률을 조절할 수 있는 새로운 개념을 제시했다.
이를 통해 가시광선 영역대 빛을 활용하는 태양전지, LED와 같은 광전자소자 내 빛의 진행과 흡수 등을 조절함으로써 성능 향상에 기여할 수 있을 뿐 아니라, 더욱 낮은 파장대에서 같은 원리가 적용된다면 보다 높은 해상도를 가지는 현미경, 반도체 장비 개발 등에 원천적 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.
