기계공학과 민범기 교수 연구팀이 변화 전 메타물질의 광학적 특성을 기억할 수 있는 메모리 메타물질과 이를 응용한 논리 연산 메타물질을 개발했다. 이번 연구 결과는 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Com-munications)> 1월 27일 자 온라인판에 게재되었다.
 
특이한 광학 성질을 가지는 메타물질
메타물질(meta material)은 자연에서 발견하기 어려운 특이한 광학적 성질을 가진 인공 물질이다. 메타물질은 주로 금속과 유전체(dielec-tric)*의 조합으로 만들어지며, 빛의 파장보다 작은 단위 구조체로 구성된다. 최근 메타물질은 고분해능 렌즈, 나노리소그래피, 초소형 안테나, 투명망토 제작 같은 분야에서 응용할 수 있을 것으로 주목받고 있다.
 
기존 방식은 불필요한 에너지 소모해
초창기에는 고정된 광학적 특성을 보이는 메타물질에 관한 연구가 주를 이루었으나, 최근에는 외부 자극으로 광학적 특성을 바꿀 수 있는 능동형 메타물질에 대한 연구가 많이 수행된다. 빛의 진폭, 위상, 편광 등 광학 성질을 조절하기 위해서다. 하지만 기존 메타물질은 광학적 특성을 바꾸고 그 특성을 유지하기 위해 자극을 계속 가해야 한다는 단점이 있었다. 이는 불필요한 에너지 소모를 유발하므로, 메타물질의 광학적 특성을 바꿀 때만 자극을 주고 그 이후에는 자극이 필요 없는 메모리 메타물질의 개념이 대두했다.
 
전기 신호 이용하는 메모리 메타물질
기존 메모리 메타물질은 광학적 변화를 일으키는 자극원으로 열이나 빛을 사용했다. 하지만 열을 통한 입력은 주변 온도 변화에 민감하며, 빛을 통한 입력은 큰 에너지를 가진 광학 펄스가 필요하다는 단점을 지니고 있었다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 메타물질의 광학적 특성을 바꾸는 순간에만 전기 신호를 입력하는 방식의 메모리 메타물질을 개발했다. 연구팀은 유전체, 메타물질, 그래핀, 강유전체, 전극을 순서대로 샌드위치처럼 쌓아서 메모리 메타물질을 만들었다. 연구에서 사용한 강유전체 고분자는 탄소를 중심으로 불소와 수소가 결합한 분자로, 외부 전압의 크기에 따라 분극의 세기가 변한다. 이는 인접한 그래핀의 전하나르개 밀도(charge carrier densi-ty)**에 영향을 미쳐, 그래핀과 메타물질의 광학적 특성을 고정한다.
 
논리 연산 가능한 메타 물질 만들어
연구팀은 메모리 메타물질의 원리를 확장해 논리 연산이 가능한 메타물질도 개발했다. 단일 입력에 의해서만 작동하던 기존 메모리 메타물질의 개념을 다중 입력까지 확장한 것이다. 이 메타물질은 메모리 메타물질의 구조에 강유전체와 전극을 하나씩 더 넣어 제작되며, 동시에 두 가지 전기적 신호를 입력받을 수 있다. 두 개의 독립적인 전기적 신호를 메타물질에 가하면, 신호의 논리 연산 결과에 상응하는 광학적 특성이 메타물질에 남는다. 즉, 다중 입력으로 메타물질의 물성을 조절하는 것이 가능해져 메타물질의 특성을 다양하게 변화시키고 조절할 수 있다.
 
연구팀이 개발한 메타물질은 짧은 시간 동안 특정 전압을 받으면 광학적 특성이 바뀐다. 그리고 전기 신호 때문에 변화된 광학적 특성은 다른 전기적 자극이 없는 경우 최소 10여 년 정도 유지된다. 민 교수는 “이 메모리 메타물질은 저전력 전자기파, 광파 제어에 활용할 수 있다”라며 “에너지를 절약할 수 있는 광학 변조 소자에 사용 가능할 것으로 보인다”라고 밝혔다.

유전체*
정전기장을 가할 때, 전기 편극은 생기지만 직류 전류는 생기지 않게 하는 물질.

전하나르개 밀도**
물질 속에 존재하는 단위 부피당 자유전자 또는 양공의 개수.