수학적 원리를 이용한 신소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

KAIST(총장 강성모) 신소재공학과 신종화ㆍ김도경 교수와 물리학과 이용희 교수 공동 연구팀이 수학의 공간채움 원리를 이용해 기존 기술보다 2000배 이상 높은 유전상수를 갖는 전자기파 신소재를 개발했다고 6일 밝혔다.

유전상수는 소재의 전기적 성질 중 가장 기본이 되는 성질로, 물질 내부의 전하 사이에 전기장이 작용할 때 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 단위이다.

이번 연구에서 개발된 메타물질의 모식도와 실제 사진. KAIST 제공

유전상수가 높은 축전기는 저장할 수 있는 에너지가 많아 전기 용량과 효율을 높일 수 있다. 공기의 유전상수는 1이고, 현재까지 개발된 메타물질(자연계에 없는 인공물질) 가운데 가장 큰 유전상수는 1600 정도로 알려졌다.

유전상수를 높이기 위해 피뢰침의 원리를 이용, 뾰족한 피뢰침에 강한 자기장을 모으는 기술이 사용되고 있지만 강한 유전분극이 미치는 범위가 너무 좁다는 한계가 있었다. 

연구팀은 2차원의 선으로 3차원 입체 구조인 면을 무한대로 채울 수 있는 수학적 공간 채움 구조를 이용해 320만의 유전상수를 갖는 메타물질을 개발했다.

이를 응용해 기존의 피뢰침처럼 좁은 영역에서만 발생하는 강한 유전분극이 메타물질 공간 내부 전체에 밀집돼 나타나게 만들었다. 또 공간채움 선의 방향을 조절해 밀집된 유전분극이 서로 상쇄되지 않고 합쳐지도록 조절했다.

특히 아주 얇은 막으로도 원하는 방향으로 전자기파를 반사시키거나 대부분 흡수시킬 수 있기 때문에, 전투기나 함정에 씌워서 레이더에 탐지되지 않도록 하는 스텔스 표면 등 국방 응용이 기대되며, 5G 휴대전화용 안테나 등 무선통신 분야 적용도 가능할 것으로 예상된다.

또 가시광선에서도 이 원리가 적용된다면 바이러스를 직접 볼 수 있는 수준의 매우 높은 분해능을 가진 현미경 등 더욱 다양한 응용이 기대된다.

신종화 교수는 “간단한 수학적, 물리적 원리가 혁신적 성능을 갖는 신소재 개발로 이어질 수 있음을 밝혔다”며 “이는 기초 원리의 중요성을 확인한 값진 경험이었고, 앞으로도 이런 원리를 기반으로 신소재 개발을 지속하겠다”고 말했다.

이번 연구 결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인 판에 게재됐으며, 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 KAIST 신소재공학과 장태용 박사과정 학생이 1저자로 참여했다.

베타뉴스 이환 (press@betanews.net)
Copyrights ⓒ BetaNews.net

• • 목록
  • 위로