음의 굴절율 - 슈퍼렌즈와 투명망토

Introduction

소설 ‘해리 포터’ 시리즈에서 주인공 해리 포터는 보이지 않는 망토를 쓰고 자신의 모습을 감춘다. 그리고 망토를 벗으면 다시 모습이 드러난다. ‘해리 포터’ 시리즈가 전 세계적으로 연이은 히트를 치면서 대부분의 사람들이 투명망토에 대하여 거부감 없이 받아들여지는 시대를 초래하였다. 우리의 상상속에서 존재하였던 혹은 마법의 세계에서나 가능했던 물체를 안보이게 하는 방법인 ‘투명망토’ 에 대해 최근 물리학자들이 실현가능한 아이디어를 내놓고 있다.



contents


1. 빛의 굴절율

빛의 굴절율은 서로 다른 두 배질의 경계면을 지날 때 Snell의 법칙에 따라 꺾이게 되면서 최단거리가 아닌 최소경로를 택한다. 이는 Fermat가 최단거리 대신 최단시간으로 대치하면서 최소원리를 굴절현상에서도 설명할 수 있음을 보였다. 최단거리와 최단시간의 차이가 발생하는 것은 경로차와 더불어 굴절율에 따라 빛의 진행속도가 달라지기 때문이다. 진공속에서 빛의 진행속도 c=299,792,458m/s이며 굴절율 n인 매질 속에서의 빛의 진행속도는 c/n으로 주어지며 대부분의 매질의 경우 굴절율은 1보다 크므로 매질 속에서의 빛의 진행속도는 c보다 작다.


2. 음의 굴절율과 메타물질

광학의 기본원리로 정착한 Fermat의 최소원리의 예외적인 경우인 음의 굴절율의 시작은 1968년 Veselago의 이론적 제안이었다. Veselago는 매질이 음의 유전율과 투자율을 갖는 경우 매질 굴절율 값이 음이 됨을 보이고 이 매질은 매우 특이한 광학적 성질을 가질 것으로 이론적으로 주장하였다.



Veselago이론적 제안을 근거로 2000년 Smith와 Schultz 공동연구진은 음의 굴절율을 갖는 인공물질 즉, 메타물질을 만드는데 성공하였다. Smith와 Schultz 공동연구진은 금속막대와 특별한 형태의 금속회로 구조들을 조합하여 동시에 음의 유전율과 투과율을 갖는 복합구조를 인공적으로 제작하고 이를 NIM(negative index material)의 특징이 구현됨을 보였다. 이를 계기로 NIM에 대한 연구는 매우 활발해졌다.
2004년 독일 칼스루대학의 연구진들은 광선추적 프로그램을 이용해서, 음의 굴절률을 가진 물질(메타물질)이 아주 특이한 성질이 있다는 것을 보여주었다. 예를 들면, 볼록형 음의 굴절률 렌즈가 오목형 양의 굴절률 렌즈처럼 작용한다거나 음의 굴절률 액체가 채워진 유리컵에 들어있는 막대가 끊어진 것처럼 보이게 되는 것이다.





3. 가시광선영역에서의 메타물질

2001년 2003년 물리학자들은 작은 C자 모양의 고리와 작은 막대로 이루어진 메타 물질을 이용해서 마이크로파 영역에서 작동하는 음의 굴절을 보여주었다. 하지만 투명망토의 기본 조건인 가시광선에서의 음의 굴절율 메타 물질을 실험하지는 못하였다.
가시광선에서의 음의 굴절율 처음 시작은 캘리포니아 공과대학의 물리학자 헨리 레체크(Henri Lezec)와 그의 동료들이었다. 그들은 가시광선을 보통과 반대방향으로 휘게 하려고 나노 박막을 이용했다. 연구원들은 빛의 파동이 이 층을 따라 흘러갈 때, 금속 절연체 공유 면에 있는 전자들을 휘저어, 표면 플라즈몬 폴라리톤이라고 부르는 물결을 만든다. 이 물결들이 빛을 싣고 가다가 판의 다른 쪽 끝에서 나타난다. 빛이 어떤 특정한 주파수를 가지고 있으면 플라즈몬의 물결은 빛의 흐름을 역행해서 위로 흐른다. 음의 굴절을 만들 때 이것이 핵심 요소이다. 연구원들은 판을 쐐기 모양으로 잘라, 다양한 색깔의 빛을 휘게 하는 프리즘으로 사용함으로써 시범을 보여주었다. 이 프리즘은 적색 광선은 평범한 방법으로 휘게 하지만, 파장이 더 짧은 녹색 광선은 반대 방향으로 휘게 한다는 것을 밝혔다.














이 연구에서는 한정된 재료와 한정된 파장에서만 음의 굴절률을 실현했지만, 가시광선 영역에서 최초로 음의 굴절률의 가능성을 보여주었다는 데 의미가 있다.

4. 메타물질의 응용 - 의학, 정보전자 분야

* 현재의 렌즈는 빛의 파장보다 작은 나노 크기의 물체를 선명히 볼 수 없지만 메타물질은 작은 물체도 선명히 볼 수 있기 때문에 혈관 수술에 이용할 수 있다.
* 메타물질 내부에서 빛이 휘는 원리를 이용하면 빛을 저장하는 장치도 개발할 수 있다. 메타물질을 응용해 전자 대신 빛으로 정보를 처리하면 지금보다 빠르고 성능이 좋은 컴퓨터를 만들 있다.
*가시광선에서 음의 굴절률을 가진 물질이 개발되면 바이오 이미징이나 나노 리소그래피에 사용되는“완벽한”렌즈를 만드는 데 이용될 수 있을 것이다.

summary

음의 굴절율을 통한 수퍼렌즈나 투명망토는 오랜 역사를 지닌 광학과 광학의 기초상식에 도전하고 있다. 이는 양자역학의 도래로 인하여 오랫동안 진리라 믿었던 고전역학의 기본적 개념의 부분적 오류를 깨우치는 것과 같다. 이와 같은 물리학 분야의 끊임없는 도전은 이전의 역사를 혁신적인 변화가 아닌 부분적 변화를 통하여 첨단기술의 발전과 상상속의 세상을 밖으로 끄집어 낼 것이다.

reference

http://www.sciencetimes.co.kr/
http://www.donga.com/
http://kin.naver.com/
http://people.ee.duke.edu/