[강의]투명망토의 원리인 빛의 굴절과 메타물질에 대한 이해_포항공대 노준석 교수(211209)

(출처: Financial Times)

포항공대 노준석 교수의 강의를 들었다. 요즘 '메타버스 metaverse'란 용어가 유명한데 노 교수는 '메타물질 metamaterials'이란 것을 소개했다. 과학에 관심이 있으면 재미있게 들을 수 있었지만 흥미가 없다면 지루한 강의였다. 나는 새로운 세상이나 학문에 호기심이 있어 시간 가는 줄 모르고 들었다. 강의 도중에 다른 일이 있어 모두 듣지 못해 아쉬웠다.

 

1990년대 전후만 해도 학생들에게 인기 있던 학과가 전자공학이었다. 전자(electron)과 관련된 학문이다. 여러 산업에 우수한 전자공학 엔지니어와 연구원을 공급하는 역할을 했고 현재의 대한민국을 이끄는 초석이 되었다.

전자공학은 마이크로의 영역을 다루는 학문인 반면, 광자(photon)를 다루는 광학은 나노의 원자 수준을 핸들링하는 학문이라고 한다. 그만큼 어려운 학문이다. 그래서 컴퓨터 시대의 한계를 극복할 수 있는 방법으로 나노의 세계를 중심으로 한 새로운 학문이 파생되고 있다. 일종의 혁명이다.

'20년 초에 시작된 코로나 환경은 사람들의 생활에 많은 변화를 가져왔다. 재택근무, 원격회의와 같은 비대면이 갑작스럽게 일상이 되었다. 코로나가 아니었다면 기업이 적용하기에 머뭇거렸을 근무방식이다.

그리고 ESG가 기업의 화두가 되어 이산화탄소 배출 저감이 재무적 성과 외에 생존과 직결되는 관심사가 되었다. 짧은 시간에 벌어지는 환경의 변화는 기업과 개인에게 빠른 적응을 요구한다. 지금까지의 환경적 난제들이 나노 단위로 접근해서 해소할 수 있는 일들이 많을 것이다. 그래서 나노의 세계에서 기대되는 바도 크다.

 

나노과학이 발전한다고 하더라도 유용한 기술로 전환하는 비율이 5% 정도라고 한다. 적다고 볼 수도 있지만 인간을 위해 유용하게 사용될 수 있는 기술이 하나라도 탄생한다면 아이폰이 세상을 바꿨듯이 우리의 삶의 질이 퀀텀 점프할 수 있다. 그래서 5%를 낙관적으로 본다.

 

메타란 의미는 beyond 즉, '넘어서'란 의미를 가진다. 그럼 메타물질이란 무엇인가? 기존의 재료에 대한 정의는 화학적인 원소의 배열을 가지고 했다. 하지만 메타물질은 인공원자로 구성되어 인위적으로 가공된 물질이다. 즉, 이  물질은 기존의 화학과 관계없는 기이한 성질을 나타낸다. 인위적으로 다양한 성질을 만들어 낼 수 있는 것이다.

학창시절 과학시간에 스넬의 법칙이란 것을 배웠다. 이게 뭐지? 물속에 나무 막대를 넣으면 공기 중에서 보는 것과 달리 각도가 꺾여서 보이는 것을 이론적으로 정리한 법칙이다. 즉 공기나 물과 같은 매질이 다르면 빛의 진행 속도가 달라서 경로가 꺽이는 현상에 대한 것이다. 이 꺽이는 현상을 굴절률이라고 하는데 이 굴절률을 조절하면 우리 눈으로 보이는 것을 바꿀 수 있다.

 

굴절률이 가장 높은 물질은 Si, Ge 등으로 공기보다 5배 정도를 꺾을 수 있다. 만약 굴절률이 100과 1000을 넘는 메타물질을 만든다면 빛이 지나가는 속도가 다르다. 빛이 천천히 가게도 빨리 가게도 할 수 있는 것이다. 굴절이 반대 방향으로 일어나도록 하면 음의 굴절률을 이용해서 투명망토를 만들 수 있다. 이와 관련된 기사가 세간의 관심을 끈 적도 있다.

 

투명망토에 대해 들어본 적은 있지만 어떤 원리인지 궁금했다. 우리 앞에 있는 것을 어떻게 볼 수 없도록 한다는 거지? 원리는 바로 빛의 굴절이었다. 완벽하게 잔상이 없는 투명망토를 만들기 위해서는 실현할 수 있는 좋은 메타물질이 필요하다.

하지만 투명망토를 만드는데는 아직 비용이 많이 필요하다고 한다. 실용적인 측면에서 고민이 될 것이다. 큰 비용을 들이더라도 사람의 눈을 속여야 하는 경우는 어떤 경우가 있을까. 전쟁? 하지만 앞으로는 사람이 아닌 로봇이 전투를 할 텐데 필요 없어 보인다.

투명망토의 원리는 빛이 반사되지 않고 굴절되어 진행하면 물체가 투명해지는 효과를 느껴 뒤에 있는 것처럼 인식되는 현상이다.(위의 사진에서 중앙에 있는 물체에 빛이 굴절돼 도달하지 않는다.)

이는 신기루의 원리와 비슷하다. 온도차로 굴절률이 다르기 때문에 급격한 온도변화로 공간이 왜곡이 생기는 것처럼 말이다.

 

메타물질에 대한 다양한 설명을 들었는데 '투명망토'가 귀에 쏙 들어와서 정리해 포스팅한다.