금속 나노입자 사이의 간격을 정밀하게 제어해 물질의 굴절률(index of refraction)을 넓은 범위에서 조절하고 다이아몬드의 2배 수준인 최대 5까지 높일 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

물질의 굴절률은 매질 내에서 빛의 속도와 흡수·산란, 서로 다른 매질의 경계면에서 굴절·반사 등에 영향을 주는 지표로, 일상생활에서 흔히 보는 물질의 경우 대개 1과 2사이다.

6일 미래창조과학부에 따르면 한국과학기술원(KAIST) 김상욱·신종화 교수와 김주영 박사 등은 이런 내용을 포함한 논문을 지난달 29일 과학 학술지 '네이처 커뮤니케이션스' 온라인판에 게재했다.

▲ 한국과학기술원(KAIST) 김상욱·신종화 교수와 김주영 박사 등의 네이처 커뮤니케이션스 논문에 실린 메타물질 공정 설명 그림

연구진은 분자 사이의 힘을 이용해 금속 나노입자 사이의 간격을 매우 정밀하게 조절할 수 있는 소재를 설계하고, 이 소재가 눈으로 볼 수 있는 가시광선 영역(파장 400~700nm)에서 5 이상의 높은 굴절률을 가질 수 있음을 세계 최초로 증명했다.

가시광선 영역에서의 굴절률은 진공이 1, 공기가 1.000313, 물이 1.33, 유리가 1.5 내외, 다이아몬드가 2.42, 셀렌화아연(ZnSe)이 2.67 등이다.

▲ 금속 나노입자 사이의 간격을 좁히는 수축공정 묘사 사진

연구진은 분자제어조립기술을 기반으로 균일하며 주기적으로 배열된 금속 나노입자를 형성하고, '수축필름'이라는 고분자 기판을 활용해 입자 간 간격을 수 nm(나노미터) 수준으로 정밀하게 조절했다.

연구진은 굴절률을 결정하는 두 요소인 유전율(誘電率·permittivity)과 투자율(透磁率·permeability) 중 후자를 거의 일정하게 유지하는 가운데 전자를 넓은 범위에서 변화시킴으로써 굴절률을 매우 크게 만들 수 있음을 보였다.

이 연구는 미래창조과학부 기초연구사업과 나노·소재원천기술개발사업의 지원을 받았다.

▲ 굴절률 변화 그래프

공동교신저자인 김상욱 교수는 "우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선의 움직임을 조절할 수 있다는 것은 태양전지나 발광다이오드(LED)와 같은 디스플레이 장치의 성능을 높일 수 있다는 뜻"이라며 "지금까지 불가능했던 초고배율의 현미경이나 초고해상도 반도체 장비 등 새로운 과학 장비를 위한 아이디어도 제시할 수 있을 것"이라고 이번 연구의 중요성을 설명했다.

노진우 기자  jinrocals@naver.com

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