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미국에너지부의 로렌스 버클리 국립실험실 및 캘리포니아 버클리의 연구원들은 협력하여 자외선을 사용하여 감지기로부터 임의의 형태를 가지는 삼차원 물체를 감출 수 있는, 미세하고 초박막의 보이지 않는“피부”망토를 개발하고 있다.
미세한 망토를 디자인하는데 포함된 원리는 큰 크기의 물체를 감출 수 있게 규모를 확대할 수 있게 해준다.


초박막“피부 망토”의 두께는 단지 80마이크로미터이며 연구원들은 돌출부와 움푹 들어간 곳이 많은, 임의의 형상을 가지는 삼차원 물체 주위를 이 망토로 쌌다.
이 물체의 크기는 대략 생물학적 세포의 두 개크기이다.
“피부 망토”는 벽돌 크기의 블록 형상을 가진 금 나노안테나를 사용하여 만들어졌다.
“이는 처음으로 자외선으로부터 임의의 형태를 가진 삼차원 물체를 은폐시킨 경우”라고 버클리 실험실 재료과학부의 책임자이며 메타재료의 세계적인 권위자인 Xiang Zhang은 말한다.


메타재료는 전자기 특성을 가진, 자연에서 발견되지 않는 인공적인 나노구조를 가지게 엔지니어드된 재료이다.

“우리의 초박막 망토는 현재 코트와 같이 보인다.
이는 디자인하고 실현하기가 쉽고 큰 물체를 감추기 위해 크게 만들어질 수 있는 잠재성을 가진다”고 Zhang은 말한다. 물체들은 단지 빛이 물체와 상호 반응할 때 산란이 일어나는 것에 의해서만 감지되고 관찰될 수 있다.
메타재료들의 광학적인 특성은 이들의 화학적인 조성에 의한 것이 아니라 물리적인 구조에 의한 것이다.
따라서 메타재료들은 천연 재료들이 사용될 때 빛에 물체가 상호 반응하는 것을 피하기 위해 사용될 수 있다.


Zhang의 연구그룹은 지난 10년 동안에 메타물질과 빛의 상호반응에 대한 연구를 수행하고 있다. 연구원들은 빛의 통로를 반대 방향으로 구부릴 수 있고 곡선을 이루게 할 수도 있다.
이러한 능력은 자연 재료에서는 관찰되지 않는다. 메타재료의 발견에 의해 연구원들은 광학적으로 물체가 감지되지 않게 만들 수 있었다.
과거에 개발된 메타재료에 기반을 둔 광학 카펫 망토는 부피가 크고 크게 만드는 것이 어려웠다.
망토가 감추는 물질은 눈에는 보이지 않지만 망토 자체는 주위 백그라운드와 망토 영역 사이에 존재하는 상의 차이 때문에 감지될 수 있다.


“공기 중에서 작동하는 카펫 망토를 만드는 것은 매우 어렵기 때문에 우리는 회절광 내에 부가적인 상을 넣어 유전체 프리즘 내에 이를 포함시켜야만 했으며 이는 망토가 상에 민감한 감지에 의해 보여지게 하였다”고 펜 주립대학의 조교수이며 최근에 Zhang의 연구그룹에 합류한 Xingjie Ni는 말한다.

“그러나 메타 표면에 대한 최근의 개발에 의해 우리는 나노크기에서 전자기 반응 즉, 빠르게 광을 가두는 것에 의해 일어나는 반응을 지역적으로 조절하는 보조파장 크기의 요소를 사용하여 직접 진행파의 상을 직접 만들 수 있다”고 그는 말한다.


이 연구에서 연구원들은 대략 1,300 제곱 마이크로미터의 크기를 가지는, 임의의 형상으로 된 삼차원 시료 물체를 나노안테나 망토로 감쌌다.
적색 광이 망토로 싸인 이 물체를 쳤을 때 평평한 거울에서 빛이 반사되는 것과 같은 형태로 반사되어 물체는 심지어 상에 민감한 감지기에서 조차도 보이지 않았다.
나노안테나 편광을 껐다 켰다 하면 물체를 보였다 안보였다 하게 할 수 있다.
“개개의 나노안테나에 의해 제공되는 상 전이는 파면(wavefront) 및 산란된 빛의 상 사이에서 완전히 회복되어 물체는 완전히 숨겨지게 된다”고 공동저자인 Zi Jing Wong은 말한다.


메타재료와 빛 사이에 상호반응을 조절하는 것은 초고속 광학 현미경 및 고분해능 광학현미경을 개발하는데 큰 잠재성을 보여준다.
하나의 예로서 미소 규모의 눈에 보이지 않는 피부 망토는 특별한 소형 전자기기 부품 레이아웃을 감추고 보안 암호화에 사용될 수 있다.


대형 크기의 눈에 보이지 않는 망토는 삼차원 디스플레이를 포함하여 많은 분야에 응용될 수 있는 잠재성을 가진다.


이 연구결과는“가시광 용도의 초박막 눈에 보이지 않는 피부 망토(n Ultra-Thin Invisibility Skin Cloak for Visible Light)”라는 제목으로 사이언스 잡지에 게재되었다.

미국에너지부 사이언스에서 이 연구를 지원하였다.


위 자료는 KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』의 발표자료를 요약한 것이다.

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