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2018 여름호 / 지식더하기 Ⅰ/ 투명망토 속 과학 메타물질

2018-07-12 1,039

투명망토 속 과학 메타물질

 

여러분 영화 “해리포터”의 투명망토를 기억하시나요? 귀여운 해리가 투명망토를 쓰고 갑자기 사라지는 장면은 아직도 인상 깊습니다. 이번에 제가 소개해 드릴 주제는 이 투명망토와 관련이 있습니다. 현재 세계적으로 활발히 개발 중인 투명망토는 대부분 ‘메타 물질’이라는 물질을 이용합니다. 메타 물질이란 자연계에서 발견되지 않은 특성을 가지도록 인공적으로 만들어진 물질입니다. 공상과학 영화 속 투명망토가 실생활에 적용되는 과정을 이해하기 위해서는 이러한 메타 물질에 대한 이해가 먼저 필요합니다. 함께 알아볼까요?

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출처 : https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=bread

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초등학교 시절 볼록렌즈와 오목렌즈의 광학적 성질에 대해서 배운 적이 있을 거예요. 볼록렌즈는 빛을 모아주고, 오목렌즈는 빛을 분산시키는 역할을 하죠. 그런데 이 두 광학렌즈 모두 양의 굴절률을 가지고 있기 때문에 이러한 현상이 나타납니다. 이때, 메타 물질의 원리를 이해하기 위해서는 일반적인 개념의 굴절과는 달리 ‘음굴절’이라는 개념을 알아야 합니다. 음굴절은 굴절률이 마이너스값을 가지는 물질에서 나타나는 광학적 성질로, 입사한 빛이 180도 이상 굴절되어 다시 되돌아 나오는 현상입니다. 사람이 물체를 볼 수 있는 것은 물체에 반사된 빛이 우리 눈으로 들어오기 때문인데, 음굴절을 이용하는 메타 물질을 만난 빛은 반사되거나 흡수되지 않고 뒤로 돌아가게 하는 것이지요.

그렇다면 이러한 메타 물질의 개발은 주로 어떤 분야에서 빛을 발할 수 있을까요? 음의 굴절률을 통해 빛(전자기파)이 뒤로 돌아나가게 하는 것처럼 음파를 뒤로 돌아나가게 할 수 있다면, 그 자리에 물체(특히 국방 분야에서의 잠수함)가 없는 것처럼 위장할 수 있게 됩니다. 즉 국방 분야에서의 고성능의 은폐 기능을 구현할 수 있는 것이지요. 또한 자연의 물질들은 할 수 없었던 방식으로 빛과 음파를 상호작용하도록 메타 물질을 설계한다면 투명망토뿐만 아니라 고성능 렌즈, 초민감 감지기 같은 무궁무진하게 새로운 분야에 적용할 수 있을 것입니다. 또한 현재의 메타 물질은 자연계에 없기 때문에 인공적으로 만들어져야만 한다는 인식에서 벗어나, 자연계에 존재하는 방해석을 이용한 개발도 이루어지고 있습니다. 방해석은 빛을 두 방향으로 나누는 ‘복굴절’의 특성을 가지고 있습니다. 이러한 복굴절의 결정 방향을 극단적으로 조절하면 메타 물질처럼 빛을 뒤로 돌아 나가게 할 수 있다는 것입니다.

하지만 이러한 메타 물질의 개발에도 한계는 있습니다. 사람이 투명망토를 쓰고 자유롭게 거리를 활보하려면 모든 위치와 각도에서 물체가 투명하게 보여야 할 것입니다. 하지만 이러한 메타 물질의 특성은 물질 자체에서 나오는 것이 아닙니다. 굴절이라는 광학적 현상을 이용한다는 특성 때문에, 메타 물질의 투명성은 메타 물질의 모양, 기하학적 구조, 배열과 같은 구조가 결정합니다.

즉, 투명하게 보이는 메타 물질도 특정 각도에서만 유효한 것이지요. 또한 이렇게 기하학적 구조에 민감하다 보니, 사람이 착용할 수 있을만한 유연한 소재로 개발시키는 과정이 필요합니다. 현재 수많은 연구진이 그 한계를 해결하기 위한 연구를 진행하고 있습니다. 이에 전문가들은 이르면 2020년대 초반에 투명망토가 상용화 될 것으로 기대하고 있습니다. 어쩌면 해리포터처럼 투명망토를 쓰고 거리를 활보하게 될 날이 멀지 않을지도 모르겠네요!

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알리미 23기 서재민 | 생명과학과 17학번