김상욱 KAIST 교수 "초고해상도 반도체 등 새로운 광학 장치 개발 가능"

가시광선의 굴절률을 높이는 소재가 개발돼 초고배율 현미경, 초고해상도 반도체 장비 등의 새로운 광학 장치 개발이 가능해질 전망이다.

김상욱 KAIST 신소재공학과 교수 연구팀은 빛의 굴절률을 광범위하게 조절할 수 있는 '메타소재' 개발에 성공했다고 6일 밝혔다.

빛의 굴절률은 일반적으로 특정 재료를 선택해 결정되는데 현재까지 재료의 세밀하고 정확한 광학적 설계를 통한 굴절률 제어에는 한계가 있었다.

연구팀은 굴절률을 구성하는 두 요소인 유전율(전기장에 대한 물질의 반응)과 투자율(자기장에 대한 물질의 반응)을 적절히 조절한다면 굴절률도 조절 가능할 것으로 보고 연구에 착수했다.

연구팀은 분자조립제어 기술을 통해 나노미터 수준의 금속 입자를 형성해 정밀하게 조절한 메타소재를 설계, 투자율의 변화를 최소화했다. 이어 금속나노입자 간의 간격을 조절해 전자장의 세기를 조절, 가시광선 영역에서 5 이상의 굴절률을 확보했다. 이 굴절율은 자연계에 존재하는 일반적인 물질의 평균 1~2 정도의 굴절률에 비해 높다.

수축공정을 실시하기 전 분자제어조립 기술을 통해 형성된 금속나노입자(좌측)와 수축공정 후 매우 근접한 금속나노입자에 대한 주사 전자 현미경 이미지.<사진=연구팀 제공>
수축공정을 실시하기 전 분자제어조립 기술을 통해 형성된 금속나노입자(좌측)와 수축공정 후 매우 근접한 금속나노입자에 대한 주사 전자 현미경 이미지.<사진=연구팀 제공>
연구팀에 따르면 이번에 개발된 메타소재의 금속 나노입자 간 간격은 5nm(나노미터) 이하로 균일해 굴절률의 정밀한 조절이 가능하다. 굴절률은 유전율과 투자율의 곱에 제곱근으로 표현되는데, 이 두 변수 중 하나를 통제하고 나머지 변수를 조절한다면 굴절률의 광범위한 조절이 가능하다는 것이다.

김상욱 교수는 "우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선의 움직임을 조절할 수 있다는 것은 태양전지나 LED와 같은 디스플레이 장치의 성능을 향상시킬 수 있다는 뜻이다"며 "이는 지금까지 불가능했던 초고배율의  현미경이나 초고해상도 반도체 장비 등의 새로운 과학 장비를 위한 아이디어도 제시할 수 있을 것이다"라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'의 온라인판에 지난달 29일자로 게재됐다.

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