투명하게 만들어 주는 메타 물질
투명하게 만들어 주는 메타 물질에 대하여 들어본 경험이 있을 것이다. 우리가 눈으로 본다는 것은 물체에 반사된 가시광선이 눈으로 들어오기 때문이다. 우리 눈은 가시 광선만 감지하기 때문에 자외선이나 적외선이 눈으로 들어온다면 보이지 않는 것은 당연하다.
사피리나라는 플랑크톤은 보는 각도에 따라 투명한 상태가 되는 능력을 가지고 있다. 그것은 특정한 각도로 빛을 반사할 때 가시광선이 자외선으로 바뀌기 때문이다. 만일 이러한 현상을 사람이 인위적으로 만들어 낼 수만 있다면, 영화에나 나오는 투명 망토나 투명 인간이 현실이 될 수도 있을 것이다. 이와 같은 인간의 꿈을 실현시켜 줄 수 있는 물질 중 첫 번째 후보가 메타 물질이다.
메타 물질(metamaterial)은 어떤 물질인가?
메타 물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 갖도록 사람이 설계하고 만든 인공적인 물질을 말한다. 메타 물질이 특명 망토나 투명 인간을 만들어지는 물질이라고 오해를 하면 안 된다 . 메타 물질이라는 단어에서 메타(meta)는 “초월한” 이라는 뜻을 가진 단어로서 일반적인 물체와는 다른 특별한 성질을 가진 물체라는 의미다. 일반적으로 금속이나 유전체 또는 고분자 등의 소재를 이용하여 만들어지며, 구조적으로 매우 복잡한 형태를 가지고 있다. . 이러한 구조로 인해 메타 물질은 여러 가지 특성을 가질 수 있다.
메타 물질이 가지는 여러 가지 특성
굴절률 조절: 메타 물질은 빛의 굴절률을 조절할 수 있어서 빛을 반사하거나 흡수하는 등의 효과를 얻을 수 있다.
투명성: 메타 물질은 빛을 반사하지 않고 통과시키는 투명성을 가질 수 있다.
초전도성: 메타 물질은 초전도성을 가질 수 있기 때문에 전기 저항이 거의 없는 상태에서 전기를 전달할 수 있다.
자성: 메타 물질은 자성을 가질 수 있고 자기장을 제어하거나 측정하는 등의 효과를 얻을 수 있다.
메타 물질은 다양한 분야에서 활용될 수 있지만 많은 연구가 필요한 분야이며, 기술적으로 아직 완벽하지 않은 부분이 있다. 또한, 메타 물질을 만들기 위해서는 매우 복잡한 구조를 설계하고 제작해야 하기 때문에 비용이 많이 드는 단점이 있다.
메타 물질은 미래의 기술 발전에 큰 영향을 미칠 수 있는 중요한 분야 중 하나로써, 앞으로 연구와 개발이 더욱 발전하여 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것이다.
메타 물질의 원리
메타 물질은 그 구조에 있어서 정형화된 구조는 없고 물질의 종류와 조절 하고자 하는 물질의 특성에 따라서 서로 다른 구조와 패턴을 가진다. 메타 물질이 가지는 구조적 특징은 광학적 또는 전자기학적 특성을 조절하기 위해 설계된 자연계에 없는 반복적인 패턴과 미세의 구조이다.
메타 물질은 주로 나노 또는 미크론 규모의 단위에서 미세한 설계를 통하여 패턴화 되고 광학적 효과를 제어할 수 있도록 설계된다
또한 메타 물질의 구조는 반복적인 패턴으로 배열되는데 이 패턴은 특정 빛의 파장과 상호 작용하여 원하는 과학적 특성을 만들어내거나 전자기파를 조작 할 수 있게 한다.
이와 같은 미세 구조와 반복적인 배열은 빛의 반사와 굴절률을 원하는 방향으로 효과적으로 통제할 수 있게 하며, 이러한 빛의 통제는 메타 물질의 구조와 패턴을 설계함으로써 조절할 수 있다. 예를 들어 메타 렌즈는 촛점 거리를 조절하고 촛점을 맞출 수 있기 때문에 물체를 숨기는 데 사용될 수 있다.
메타 물질을 만드는 원리
메타물질은 여러 가지 단계를 거쳐 만들어지는 데 그 단계는 다음과 같다.
구조 설계: 메타 물질의 구조를 설계하기 위해서는 주기적으로 반복되는 나노 구조나 마이크로 구조를 정교하게 설계한다.
소재 선택: 메타 물질을 만들기 위해서는 금속이나 유전체 등의 소재를 선택 한다.
제조 공정: 메타 물질을 제조하기 위해서는 레이저 가공, 전자 빔 가공, 3D 프린팅 등의 공정을 이용한다.
테스트 및 검증: 메타 물질을 만든 후에는 테스트와 검증을 통해 메타 물질의 특성을 확인하고, 필요한 수정 작업을 수행한다.
이와 같은 단계를 거쳐 메타 물질이 만들어지고 그 과정 중에서, 음이온성 현상, 굴절률의 변화, 물체 승김 효과 등의 특별한 효과를 유발할 수 있도록 파동의 상호작용을 조절한다.
메타 물질을 만드는 원리는 매우 복잡하고 어렵기 때문에, 전문적인 지식과 기술이 필요하고 많은 시간과 비용이 필요하다. 하지만 메타 물질은 미래의 기술 발전에 큰 영향을 미칠 수 있는 중요한 분야 중 하나이기 때문에, 많은 연구와 개발이 이루어지고 있다.
여러 가지 메타 물질의 종류
메타 물질은 여러 가지 종류가 있지만 기본적으로 박막 형태로 제조되고 반복적 또는 불규칙적인 패턴의 미세 구조를 가지며, 빛의 반사와 굴절률을 조절하고 흡수하는 등의 기본적인 특성을 가진다.
금속 메타 물질: 금속 소재를 이용하여 만들고, 전자파, 광파, 열 전도성 등 다양한 물리적 특성을 효과적으로 제어할 수 있으며, 렌즈, 반사경, 투과 장치 등 다양한 광학 및 레이더 응용 분야에서 적용된다.
유전체 메타 물질: 나노 단위의 불규칙한 배열을 가진 구조로 되어 있고 이러한 구조로 인하여 전자기파의 굴절 및 흡수를 제어할 수 있다, 통신 기술, 센서 기술 등에 활용된다.
광학 메타 물질: 나노미터 크기의 패턴으로 제작되고 광파의 상호작용을 조절하여 과학적 특성을 변형시키는 역할을 한다. 광통신, 센서 기술, 광학 렌즈 등에 응용된다.
전자 메타 물질: 단원이 터 크기의 패턴과 구조를 가지고 있으며 이러한 구조로 인하여 전자기파의 주파수를 제어할 수 있고 전자기적 효과를 얻을 수 있다 또한 전자기파의 진폭을 특정 방향으로 집중시킬 수 있는 능력을 커진다 응용 분야로는 레이더 시스템, 안테나 와 방향성 광학 렌즈에 이용된다.
의료 메타 물질: 나노 단위의 미세 구조를 가지며 주로 금속 물질로 이루어져 있고 이를 통해 전자기파를 조절하거나 과학적 특성을 개선한다. 의료 이미진 암 진단 오히려 센서 등에 활용된다.
투명 망토와 투명 인간은 가능한가?
투명 망토의 원리
투명 망토는 그림에서 보는 바와 같이 물체에서 반사된 빛이 사람 몸을 통과하게 하는 것이 아니고 메타 물질로 만든 투명 망토를 입은 사람을 돌아서 진행시킨다. 따라서 우리 눈에는 사람은 보이지 않고 물체에서 반사되고 사람을 돌아서 들어온 빛이 눈에 들어오므로, 실제로는 사람이 물체를 가렸지만 사람 뒤쪽에 있는 물체를 볼 수 있는 것이다.
결론
지금까지 메타 물질에 대하여 원리와 제조 공정, 응용 분야 등에 관하여 이야기를 하였다, 그렇다면 메타 물질을 이용하여 투명 망토나 투명 인간이 가능할 것이라는 의문을 가지게 된다.
결론부터 말한다면 아직까지는 현실적으로 불가능하다. 메타 물질은 인위적으로 복잡한 구조를 설계해야 하고, 아직까지는 매우 작은 크기의 메타 물질만을 만들 수 있는 기술이기 때문에 현실에서 사용할 수 있는 큰 규모의 메타 물질을 만드는 것은 쉬운 일 이 아니다. 또한 메타 물질을 설계하고 구조화하는 것은 매우 많은 비용을 필요로 하기 때문에 더욱 어려운 것이다.
그러나 작은 크기의 메타 물질을 이용하여 물체를 거의 투명하게 만드는 실험은 성공적으로 이루어진 것이므로, 앞으로 시간이 흘러 메타 물질을 대량으로 더 대규모로 만들어 낼 수 있다면 투명 망토와 투명 인간이 되는 인간의 꿈을 이룰 수 있을 것이다. 그러나 투명 망토와 투명 인간이 되는 것은 윤리적인 문제도 생각을 해야 한다. 사람은 누구나 사생활을 보호 받을 권리가 있기 때문에, 개인의 사생활을 침해 받아서는 안 되는 것이다.