^*메타물질: 빛의 특성을 특수하게 바꿀 수 있어 공상과학 영화에 나오는 3D 홀로그램(빛의 위상과 파장 동시제어), 투명망토(빛의 굴절률조절) 등을 구현할 물질로도 꼽힌다.

^*전자기파(electromagnetic wave): 물질 또는 진공에 전해지는 전자기장 파동. 파동이 1초 동안 몇 번 진동(파장) 하느냐(주파수)에 따라 감마선부터 전파(radio wave)까지 구분된다. 흔히 빛이라고 하는 가시광선도 전자기파의 한 종류다.

^*공진주파수: 공진(증폭)현상이 일어나는 특정 주파수. 외부에서 가해지는 진동 주파수가 그 물체의 고유 진동 주파수와 일치하는 것을 공진이라함. 공진 현상을 이용해 센서로 사용 가능함.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

자연계에 존재하지 않는 광학적 성질을 가질 수 있는 메타물질1)은 물질을 구성하고 있는 금속의 구조에 따라 그 성질이 달라진다. 그러나 그동안 구조는 한번 제작되면 변경이 어려웠다. 이에 한 가지 소자로 서로 다른 여러 개의 광학적 특성을 나타내게 하려면 소자 제작 후 구조변경이 가능해야만 하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 세계적으로도 그동안 큰 노력이 있었다. 예를 들어 메타물질에 전압이나 빛을 이용하여 물질의 굴절률을 조절하여 여러 개의 광학적 특성을 확보하였다. 또 다른 방법으로는 열을 이용하여 구조를 수축 또는 팽창시켜 여러 광학적 특성을 나타나게 하였다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구진은 PET 기판 위에 소자를 제작하여 소자 간의 연결을 기판의 구부림을 통해 제어하고 이를 통해 다양한 광학적 특성을 쉽게 얻어 낼 수 있었다.

2. 연구내용

PET(플라스틱) 기판 위에 소자를 제작하였다. 제작된 소자에는 나노미터 크기의 간격이 벌어져 있는데 이 좁은 틈으로 빛이 투과하면서 메타물질의 특성을 얻게 된다. PET 기판을 손으로 가볍게 구부리면 나노미터 틈을 그보다 천 배가량 작은 크기인 피코미터 스케일로 조절 할 수 있다. 나노미터 틈의 변화는 그 틈을 투과하는 빛의 특성도 달라지게 하고, 따라서 다양한 빛의 특성을 하나의 소자에 담아 낼 수 있다. 개발된 메타물질을 이용해 가시광선에서의 공진주파수가 2배까지 변화하는 것을 관찰하였고 테라헤르츠와 밀리미터 파 영역에서 빛의 세기 조절이 99.9% 이상 되는 것을 확인하였다.

3. 기대효과

테라헤르츠 대역에서 공진 특성을 가진 분자는 마치 지문과 같은 고유 주파수가 있는데, 메타물질은 이러한 주파수를 효과적으로 관측할 수 있어 미량의 혈당변화, 조류독감, 코로나 19 바이러스 등을 효과적으로 검출하는 차세대 바이오 센서로 각광 받고 있다. 기존 연구에서는 다양한 분자의 고유주파수에 맞는 공진주파수를 가진 메타물질을 각각 제작하였고 따라서 서로 다른 물질을 단일 구조의 소자로 검출하기 어려웠다. 그러나 이번에 개발된 방식을 적용하면, 메타물질의 공진주파수를 2배 이상 변화시킬 수 있기 때문에 다양한 생화학 분자들을 신속하고 경제적으로 검출 할 수 있게 된다.

[붙임] 용어설명

1. 메타물질(Metamaterial)

아직 자연에서 발견되지 않은 특성을 가지도록 설계된 물질이다. 메타물질은 플라스틱과 금속 같은 일반적인 물질로부터 형성된 복합 요소의 집합체로 구성된다. 이 물질은 보통 반복적인 패턴으로 배열되어 있다. 메타물질의 특성은 기본 물질의 특성이 아니라 그들의 구조에 의해 생긴다. 메타물질의 정확한 모양, 기하학적 구조, 크기, 방향 그리고 배열이 메타물질의 특성을 결정한다.

2. 테라헤르츠 주파수(Terahertz frequency)

테라헤르츠 (THz)파는 미개척 주파수 영역에 위치하는 전파 자원으로서 의료, 환경, 보안뿐만 아니라 정보통신, 농식품 산업, 우주천문 등 다양한 과학기술에 적용이 가능한 분야로서 21세기에 들어서 기술의 응용 분야가 다양해지고 있다. 최근 6G 주파수로도 새롭게 떠오르는 영역이다.

[붙임] 그림설명

그림 1. (왼쪽) 20 nm 금속 틈을 조절하여 빛의 투과를 제어. (오른쪽) 광대역에서 작동하는 전자기파 스위치.