간단한 수학원리로 유전율 2000배 UP
간단한 수학원리로 유전율 2000배 UP
| KAIST 연구팀 공간채움 활용 전기적 성질 극대화 신소재 개발 스텔스·통신 분야 등 적용 기대 |
KAIST(한국과학기술원)는 6일 신소재공학과 신종화·김도경 교수와 물리학과 이용희 교수 공동 연구팀이 수학에 사용하는 공간채움 원리를 이용해 기존 기술보다 2000배 이상 높은 유전상수(유전율)를 갖는 전자기파 신소재를 개발했다고 밝혔다.
유전상수는 소재의 전기적 성질 중 가장 기본이 되는 성질로 물질 내부의 전하 사이에 전기장이 작용할 때 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 단위이다. 진공 상태의 유전상수는 1이고, 자연에 존재하는 물질과 현재까지 개발된 메타물질 중 가장 큰 광대역 유전상수는 최대 1600 수준인 것으로 알려졌다. 유전상수를 높이기 위해 기존에는 피뢰침 끝에 강한 전기장이 모이는 개념의 '전기장 국소화 원리'가 사용됐다. 피뢰침이 뾰족할수록 끝에 더 강한 전기장이 모여 유전분극이 강해지지만 강한 유전분극일수록 공간적 범위가 좁아지는 어려움이 있다.
연구팀은 수학적 공간채움 구조를 전자기 소재에 대입해 문제를 해결했다. 공간채움 구조는 선으로 한 차원 높은 면을 채우는 구조를 말하며, 유한한 크기를 갖는 면의 모든 점을 통과하는 연결된 선을 그릴 수 있으며 이 때 선의 길이는 무한대이다. 공간채움 구조를 통해 300만 이상의 큰 유전상수를 얻을 수 있는 메타물질을 개발한 것. 연구팀은 이를 응용해 기존의 피뢰침처럼 좁은 영역에서만 발생하는 강한 유전분극이 메타물질 공간 내부 전체에 밀집돼 나타나게 만들었다고 설명했다. 또 공간채움 선의 방향을 조절해 밀집된 유전분극이 서로 상쇄되지 않고 합쳐지도록 조절했다.
유전상수가 320만이면 이 물질을 활용한 축전기의 전기용량은 진공에 대비해 320만 배 커지고, 전자기파를 흡수하는 비율이나 방출하는 속도 또한 320만 배 커진다. 또 유전상수가 커지면 굴절률도 커지기 때문에 세밀하게 물체를 관찰할 수 있다. 유전상수의 제곱근인 1800배로 커졌다. 특히 아주 얇은 막으로도 전자기파를 반사시키거나 흡수시킬 수 있기 때문에 전투기나 함정에 적용해 레이더에 탐지되지 않도록 하는 스텔스 표면 등 국방 응용이 기대된다. 또한 5G(5세대) 휴대전화용 안테나 등 무선통신 분야는 물론 바이러스를 직접 볼 수 있는 수준의 매우 높은 분해능을 가진 현미경 등에 활용할 수 있다.
신 교수는 "간단한 수학적, 물리적 원리가 혁신적 성능을 갖는 신소재 개발로 이어질 수 있음을 밝혔다"면서 "앞으로도 이러한 원리를 기반으로 신소재 개발을 지속하겠다"고 말했다.
한편 KAIST 신소재공학과 장태용 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 네이처 자매지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 8월 30일자 온라인 판에 게재됐다.