우리얘기

얼마 전 미국에서 군용 투명망토를 개발해 화제가 됐습니다.

시연 장면을 보면 투명망토를 뒤집어 쓴 저격수가 주변의 배경색과 흡사해 멀리서 볼 때 찾기가 쉽지 않았는데요.

미군이 도입한 투명망토 시연 그래픽 / 출처=KBS

개인위장은 물론 크기에 따라 전차, 레이더 등의 장비 위장도 가능해 전술적 가치가 높을 전망입니다.

하지만 이 투명망토에도 치명적 단점이 있는데요. 바로 전력이 있어야만 투명 상태가 유지된다는 것입니다.

메타물질

투명망토가 실현 가능한 이유는 투명 기능의 근본 소재인 메타물질 때문입니다. 

투명망토의 소재인 메타물질의 작동 원리 / 출처=YTN

메타물질은 자연에서 발견되지 않는 특이한 광학적 성질을 얻기 위해 인위적으로 설계된 물질인데요.

이는 빛의 파장보다 짧은 구조물로 구성돼 투명망토나 고해상도 렌즈 제작에 활용되고 있습니다. 

그런데 메타물질의 변조된 광학적 특성을 유지하기 위해선 지속적인 자극, 즉, 전력이 공급돼야 하는데요. 전력이 소모되면 투명 상태도 사라지는 치명적인 약점을 갖고 있습니다.

메모리 메타물질

이를 극복할 수 있는 방법은 전력 공급이 멈춘 후에도 변조된 메타물질의 상태가 유지되는 것인데요. 이를 실현하는 소재를 메모리 메타물질이라고 합니다.

현재 세계적으로 연구가 진행되는 메모리 메타물질은 열적 자극에 의해 광특성이 조절되는 바나듐산화물 계열과 강한 광학적 자극에 의해 조절되는 저메늄-안티몬-텔루륨 등이 대표적인데요. 

바나듐산화물 기반 메모리 메타물질의 경우 상변화 온도가 60℃ 내외이기 때문에 고온 또는 열적으로 고립된 환경에서만 메모리 특성이 유지되고, 상온에서는 20분 정도만 가능합니다. 

KAIST가 개발한 상온 메모리 메타물질

KAIST 기계공학과 민범기 교수팀이 메타물질의 광학적 특성을 기억할 수 있는 메모리 메타물질과 이를 응용한 논리연산 메타물질을 개발했습니다.

메모리 메타물질의 구조도. 전극 배열(TTE), 강유전체, 그래핀, 메타원자, 폴리이미드 기판으로 구성되어 있고, k 방향으로 입사하는 빛의 전기장 (E)은 전극 배열과 수직임

기존 보고된 메모리 메타물질은 고온에서만 기억되거나 부피가 큰 광학적 장치에 의해서만 동작 가능해 현실적 응용에 한계를 보였는데요.

연구팀은 메타물질에 그래핀과 강유전체 고분자를 접목시키는 방법을 개발해 이를 극복했습니다.

연구팀이 사용한 강유전체 고분자는 탄소를 중심으로 불소와 수소가 결합한 분자인데요. 이는 외부 전압의 극성에 따라 회전하는 성질을 갖게 됩니다.

이 강유전체 고분자는 상온에서도 안정적으로 변화 상태를 유지할 수 있고요 그래핀과 접촉돼 메모리 성능이 개선된 것이 특징입니다.

강유전체에 의해 그래핀에 비휘발적 도핑이 되는 모식도. 전기 음성도가 작은 수소(H)와 전기음성도가 큰 불소(F)로 이루어진 영구 쌍극자가 인가하는 전압 극성에 따라 정렬함.

또 초박형 상태로 제작할 수 있어 천과 같은 모양을 만들 수 있고요.

무엇보다 다중 상태의 기억이 가능하고, 빛의 편광 상태도 기억할 수 있는 것으로 연구결과 증명됐습니다.

KAIST가 개발한 논리연산 메타물질

연구팀은 메모리 메타물질의 원리를 응용해 논리 연산이 가능한 논리연산 메타물질도 함꼐 개발했습니다. 

이 논리연산 메타물질은 단일 입력에 의해서만 변조 가능했던 기존 메타물질의 단점을 해결한 것인데요.

그래핀으로 두 개의 강유전체 층과 샌드위치 구조를 가진 메타물질을 제작하고, 두 전기적 입력의 논리연산 결과가 광학적 특성으로 출력되게 만든 구조를 활용했습니다.

이를 통해 다중 입력에 의한 조절이 가능해져 메타물질의 특성을 다양하게 변화시키거나 조절할 수 있는 방법론을 제시했습니다.

투과도의 다중상태 (00, 01, 10, 11)의 메모리 특성

이번 연구는 메모리 메타물질을 통해 저전력으로 구동 가능한 초박형 광학 소자 발전에 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다.

한편 이번 연구에는 KAIST 기계공학과 김우영 박사와 김튼튼 박사, 김현돈 박사과정이 1저자로 참여했고요. 연구결과는 과학전문지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2016년 1월 27일자 온라인 판에 게재됐습니다. 

(논문명 : Graphene-ferroelectric metadevices for nonvolatile memory and reconfigurable logic-gate operation)

 용 어 설 명

그래핀(graphene)

탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조로써, 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 벌집구조 모양이다. 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 0.2 ㎚(1㎚는 10억 분의 1m)로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다. 

강유전체(ferroelectric)

외부에서 인가되는 전기장에 의해 영구 쌍극자가 정렬하여 물질의 표면에 전하를 가질 수 있는 물질. 외부 전기장이 제거되면 정렬된 영구 쌍극자가 그 상태를 유지하는데, 양의 전하일 때와 음의 전하일 때 표면 전하의 극성이 다르므로 이를 디지털 신호의 0과 1에 대응하여 메모리 소자로 이용 가능함. 

메타물질(metamaterial)

자연계에 존재하지 않는 특성을 얻기 위해 빛의 파장보다 작은 인공 구조물들의 집합체. 예를들어, 300㎛ 파장의 빛에 대해서 수십 ㎛의 인공적으로 제작한 구조체들의 배열로 이루어진 경우, 300㎛ 파장에 대해서 메타물질로 동작할 수 있음. 인공 구조물의 모양, 배열, 크기에 따라 음굴절, 고굴절, 0굴절 물질 구현이 가능하며 고 해상도 렌즈 및 투명망토에 응용가능함.

메모리 메타물질(memory metamaterial)

메타물질은 외부에서 인가되는 기계적, 전기 및 자기적, 열적, 광학적 자극에 의해 광학적 특성이 변조가능한데, 일시적인 외부 자극에 의해 변조된 광학적 특성이 외부 자극을 제거시켜도 변조된 특성이 계속 유지되는 메타물질. 변조된 특성을 지속적으로 얻기 위해 지속적인 외부 자극을 인가해야할 경우, 에너지 소모가 크고, 전원 장치와 항상 연결되어야 하므로 메모리 메타물질은 이러한 에너지 낭비를 줄일 수 있음.

대칭이 깨진 금속 나노구조는 투명망토나 군사적으로 중요한 스텔스 기능에 꼭 필요한 메타물질의 소재가 되고 , 우수한 광학특성을 이용한 질병의 조기진단과 빛을 이용한 암세포 치료 등 의학 분야에서도 활용될 수 있는 중요한 물질입니다.

3차원의 대칭이 깨진 금속 나노입자는 입자 주변의 근접한 장을 강화하거나 빛의 산란효과와 같은 광학적 성질을 지녀 대칭적 나노입자가 가질 수 없는 유용한 광학적 성질을 지니는 것으로 알려져 있습니다.

특히 이 특별한 광학적 성질은 바이오의학 분야뿐만 아니라 메타물질의 소재로 활용될 수 있어 응용가치가 무궁무진합니다.

용액 내에서 금속 나노입자를 합성할 때 필연적으로 대칭점이 생기는 것을 보여주는 모식도. 왼쪽 작은 핵이 합성과정에 생성이 되고 그 후에 어떤 모양으로 분화하든지 초기의 작은 핵이 전체구조의 대칭점으로 작용하게 된다.

그런데 지금까지 대칭이 깨진 금속 나노구조를 합성하기 위한 방법은 평평한 기판 위에서 복잡한 식각공정을 거치는 등 매우 제한적이었습니다.

또한 만들어진 입자 혹은 나노구조의 수가 매우 적어 실용화할 수 없기 때문에 기본적인 광학특성 등을 연구하는 데에만 주로 사용되었습니다.

따라서 2차원 식각공정과 같이 평면 위에서 입자를 만들면 얻을 수 있는 입자의 수가 적기 때문에 입자를 대량생산하기 위해서는 반드시 3차원 용액 속에서 합성해야 합니다.

그러나 용액에서 합성해도 합성할 때 생겨나는 작은 핵이 최종 나노입자의 대칭점으로 작용해 대칭점이 없는 비대칭 금속 나노구조를 자연적으로 만들 수 없는 문제점이 발생하게 됩니다.

■ 서강대 강태욱 교수팀이 유럽 전통요리인 '퐁듀(fondue)'를 먹는 방법에서 착안해 용액 속에서 대칭이 깨진 비대칭 금속 나노입자를 대량 합성하는데 성공했습니다.

이번 연구는 질병의 진단이나 치료 등 의학 분야나 몸을 가릴 수 있는 투명망토, 상대방의 레이더와 적외선 탐지기에 맞서는 군사적 스텔스 기술 등에 활용될 수 있어 응용성이 매우 큽니다.

강 교수팀은 먼저 용액 속에서 혼성 나노입자를 합성한 후, 금만 선택적으로 과성장시켜 대칭이 깨진 금속 나노입자를 대량 합성하는데 성공했습니다.

수용액 상에서 비대칭 금 나노입자 합성의 모식도. 금 나노입자에 폴리스타이렌나노입자를 붙인 후에 금을 다시 성장시키는 방법임.

강 교수팀은 퐁듀가 한쪽 면에 치즈 등을 묻혀서 먹는 방식인 점에 착안하여, 먼저 용액 속에서 금과 폴리스타이렌 나노입자를 각각 하나씩 한 쌍으로 붙여 혼성 나노입자를 합성한 후, 금만 과성장시킨 용액을 찍어서 금속 나노입자의 대칭을 깨뜨렸습니다.

특히 강 교수팀이 개발한 합성법은 금 이온의 양과 환원제의 종류 및 나노입자의 크기 등을 조절하여 간단하게 다양한 형태의 비대칭 금속 나노입자를 자유자재로 합성할 수 있습니다.

또 다른 조합의 금속 나노입자, 예를들어 금과 실리카, 은과 산화철, 금과 산화철 등에도 적용하여 각종 다기능 금속 나노입자를 만들 수 있고, 용액 속에서 합성하기 때문에 대량생산할 수도 있습니다.

이번 연구성과는 지금까지 과학자들이 풀지 못했던 비대칭 금속 나노입자 대량 합성에 성공한 것으로, 향후 몸을 가릴 수 있는 투명망토나 군사적으로 중요한 스텔스 기능을 갖는 물질에 응용하거나, 질병 진단과 치료에도 적극 활용될 전망입니다.

금(까만색)-폴리스타일렌 혼성 나노입자에 금 용액을 이용하여 금 입자를 성장시키면 조건에 따라 다양한 종류의 비대칭 금 나노입자를 만들 수 있다. 가운데 그림은 ‘퐁듀’처럼 혼성입자를 한쪽면만 금을 묻혀 비대칭입자를 만든다는 모식도임.

이번 연구결과는 나노과학 및 기술 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지(IF=12.219)에 온라인(4월 16일)에 게재되었습니다.
(논문명 : Three-dimensional Reduced-symmetry of Colloidal Plasmonic Nanoparticles)

 용  어  설  명

메타물질(Metamaterials)
기존의 소재가 갖고 있는 전자기 특성과 달리 유전율, 투자율, 도전율이 음(-)의 값을 갖는 소재로 기존의 소재로는 불가능했던 주파수 독립적인 파장, 위상, 굴절률 제어가 가능한 차세대 소재로 정보통신기기, 전자제품 등의 초소형화, 고성능화 등의 차세대 원천기술의 구현이 가능한 소재

메타물질(metamaterials) :
기존의 소재로는 불가능한 특징을 지닌 차세대 소재로, 정보통신기기, 전자제품 등의 초소형화, 고성능화 등 차세대 원천기술 구현이 가능한 소재

폴리스타이렌 (Poly-styrene)
열가소성 플라스틱의 하나로 가볍고, 맛과 냄새가 없다. 생활용품·장난감·전기절연체·라디오와 텔레비전 케이스, 포장재에 사용한다.

식각공정(에칭, etching) :
접촉되는 부분을 화학적으로 녹여 제거하는 공정으로, 에칭 후에는 표면이 비교적 깨끗해짐

Nano Letters 誌
재료, 화학, 공학 등의 융합 영역의 학문분야에서 나노기술 관련 논문들을 출판하는 세계적으로 권위 있는 학술지. 피인용 지수(Impact Factor)가 2011년 기준 12.219로, 전 과학 분야에서 상위 5% 이내에 랭크되는 학술지이며, 2001년 1월부터 발간되었다.

<강태욱 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 서강대학교 화공생명공학부   2. 학력   1994 - 2001    서울대학교 화학공학과 학사   2001 - 2006    서울대학교 화학공학과 박사    3. 경력사항   2006 - 2008    University of California at Berkeley 박사후연구원   2008 - 현재    서강대학교 화공생명공학부 부교수

그림 2. 수용액 상에서 비대칭 금 나노입자 합성의 모식도. 금 나노입자에 폴리스타이렌나노입자를 붙인 후에 금을 다시 성장시키는 방법임.
그림 1. 용액 내에서 금속 나노입자를 합성할 때 필연적으로 대칭점이 생기는 것을 보여주는 모식도. 왼쪽 작은 핵이 합성과정에 생성이 되고 그 후에 어떤 모양으로 분화하든지 초기의 작은 핵이 전체구조의 대칭점으로 작용하게 된다.

그림 3. 본 연구의 주요 연구 결과 그림.

[그림 설명] 금(까만색)-폴리스타일렌 혼성 나노입자에 금 용액을 이용하여 금 입자를 성장시키면 조건에 따라 다양한 종류의 비대칭 금 나노입자를 만들 수 있다. 가운데 그림은 '퐁듀'처럼 혼성입자를 한쪽면만 금을 묻혀 비대칭입자를 만든다는 모식도임.

[사진 설명] 강태욱 교수 연구팀의 이치원 석사과정생(왼쪽)과 신용희 석사과정생(오른쪽)이 비대칭 금속나노입자를 합성하고 있다.