나노입자가 조립돼 초고굴절률 메타물질이 제작, 광학 소재로 활용될 수 있음을 보여주는 모식도

하루에 꼭 한 번씩은 보게 되는 거울. 빛이 여러 방향으로 반사되는 원리에 의해 우리는 거울에 비친 모습을 볼 수 있다. 이 거울은 일상생활뿐만 아니라 반도체 공정이나 고해상도 디스플레이 등의 최첨단 기술에도 사용되는데, 최근 원하는 빛만 ‘골라서’ 반사하는 만능거울이 나왔다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학공학과 이기라 교수 연구팀은 성균관대 화학공학·고분자공학부 권석준·유필진 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 초고굴절률 메타물질을 개발, 이 메타물질과 고분자를 결합한 반사경을 제작했다.

자연계에 존재하지 않는 성질을 띠는 메타물질은 음(-)의 굴절률 또는 초고굴절률을 가지도록 설계할 수 있다. 다만 굴절률이 높은 메타물질은 아직 설계부터 제작까지 많은 어려움이 따랐다.

연구팀은 동그란 금 나노 입자를 조립해 1나노미터(nm, 10억 분의 1m) 간격으로 균일하게 배열된 메타물질을 개발했다. 입사하는 빛과의 상호작용이 극대화된 이 물질은 가시광선·근적외선 영역에서 최고 수준의 굴절률을 기록했다. 근적외선 영역에서의 굴절률은 무려 7.8에 이른다.

이러한 메타물질과 굴절률이 낮은 고분자층을 차곡차곡 쌓아 만든 반사경(distributed Bragg reflector, DBR)은 특정 파장을 강하게 반사하는 것으로 조사됐다.

나아가, 연구팀은 극도로 높은 굴절률을 설명할 수 있는 플라스모닉 퍼콜레이션 모델(plasmonic percolation model) 이론을 세웠다. 기존 연구에서 설명할 수 없었던 메타물질의 초고굴절률을 이론적으로 설명함으로써, 향후 관련 연구 분야의 발전이 기대된다.

정밀한 반도체 공정이나 고해상도 디스플레이 기술 등에 활용될 수 있는 이번 연구성과에 학계와 산업계에서도 관심이 집중되고 있다.

한편, 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 최근 게재된 이 연구는 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다. 

심지현 기자  bodo@emoneynews.co.kr

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