KAIST(총장 강성모)는 신종화·김도경 신소재공학과 교수와 이용희 물리학과 교수 공동 연구팀이 수학의 공간채움 원리를 이용해 기존 기술보다 2000배 이상 높은 유전상수를 갖는 전자기파 신소재를 개발했다고 6일 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 개발된 메타물질을 포함해 가장 큰 광대역 유전상수는 최대 1600 수준이다.

그동안 유전상수가 수천 이하에 머물렀던 것은 유전상수 향상에 사용됐던 근본 원리에 한계가 있었기 때문이다. 유전상수를 키우기 위해서는 같은 전기장이 가해졌을 때 더 큰 유전분극이 나타나게 만들어야 한다. 

이를 위해 기존에는 피뢰침 끝에 강한 전기장이 모이는 개념의 '전기장 국소화 원리'가 사용됐다. 피뢰침이 뾰족할수록 끝에 더 강한 전기장이 모여 유전분극이 강해지지만 그대신 유전분극이 강해지는 공간적 범위가 좁아지게 된다. 강한 유전분극일수록 미치는 영향의 범위는 좁아지는 근원적 한계를 갖는다. 

이에 연구팀은 수학적 공간채움 구조를 전자기 소재에 대입했다. 공간채움 구조는 한 차원 높은 면을 채우는 구조를 말한다. 유한한 크기를 갖는 면의 모든 점을 통과하는 연결된 선을 그릴 수 있으며 이 때 선의 길이는 무한대이다.

이를 응용해 기존의 피뢰침처럼 좁은 영역에서만 발생하는 강한 유전분극이 메타물질 공간 내부 전체에 밀집돼 나타나게 만들었다. 또 공간채움 선의 방향을 조절해 밀집된 유전분극이 서로 상쇄되지 않고 합쳐지도록 조절했다.

연구팀은 이는 마치 여러 개의 시냇물이 만나 큰 강물이 되는 효과와 같다고 설명했다. 좁은 공간에 증대된 유전분극들이 공간채움 구조를 통해 거대하게 발현되는 효과를 고안했고 실제로 구현함으로써 300백만 이상의 큰 유전상수를 얻을 수 있었다.

또 굴절률이 약 1800배(유전상수의 제곱근)가 되기 때문에 이 소재 안에서 빛의 속도는 1800배 느리게, 파장은 1800배 짧아진다. 이를 통해 렌즈 등의 소자는 1800배 가량 작게 만들 수 있고 기존의 이미징 장치보다 1800배 세밀하게 물체를 관찰할 수 있다.

더욱이 원하는 방향으로 전자기파를 반사시키거나 대부분 흡수시킬 수 있기 때문에 전투기나 함정에서 레이더에 탐지되지 않도록 하는 '스텔스 표면' 등 국방 응용이 기대되며, 5G 휴대전화용 안테나 등 무선통신 분야 적용도 가능할 것으로 예상된다. 

신종화 교수는 "간단한 수학적, 물리적 원리가 혁신적 성능을 갖는 신소재 개발로 이어질 수 있음을 밝혔다"며 "기초 원리의 중요성을 확인한 값진 경험으로 앞으로도 이런 원리를 기반으로 한 신소재 개발을 지속하겠다"고 말했다. 

한편 이번 연구 결과는 네이처 자매지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 8월 30일자 온라인 판에 게재됐다.