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1. 개요
Metamaterial메타물질은 원자보다 크고 입사하는 빛의 파장보다 매우 작은 인공구조를 주기적으로 배치하여 빛-물질 상호작용을 인공적으로 제어할 수 있는 물질이다.
메타물질을 구성하는 기본 단위는 일반적으로 메타 원자(Meta Atom)라 하며 그 크기가 파장보다 작기 때문에 회절은 일어나지 않는다. 메타 원자의 재질은 보통 전도성이 좋은 금 등의 금속이다.
메타물질은 초기에 금속 도선을 정육면체 격자를 이루도록 배치하여 구현했으나, 시간이 지나면서 물체의 표면에 리소그래피 등으로 무늬를 증착하는 방식이 지배적이게 되었다. 이 때문에 유전율 및 투자율을 제어하는 표면 구조를 지칭하는 메타표면 (Metasurface) 이라는 개념이 통용되고 있다.
메타물질은 표면 플라즈몬을 이용해 유전율 및 투자율을 제어한다. 여기서 표면 플라즈몬이란 금속의 표면에만 존재하는 전자들과 입사광의 상호작용으로 인한 집단적 여기 (Collective excitation) 를 양자화한 준입자이다. 표면 플라즈몬을 이용하여 유전율 및 투자율을 동시에 음의 값을 가지도록 할 수 있는데, 이는 음의 굴절률을 유발한다.
메타물질은 이러한 특성으로 인해 자연적인 물질들이 할 수 없는 방식으로 빛과 전자를 상호 작용하도록 할 수 있다. 메타물질은 다양한 주파수 대역에서 작동하도록 설계할 수 있으므로 고성능 렌즈, 효율적인 소형 안테나, 초민감 감지기 같은 새로운 응용 분야에 적용할 수 있다. 또한 미디어 매체에서 메타물질은 스텔스 기능, 투명망토나 슈퍼렌즈 등을 구현할 수 있는 소재로 소개되기도 한다.
2. 역사
메타물질 개념이 제안되기 전, 음의 유전율과 음의 투자율을 동시에 갖는 물질에 대해 1967년에 논의가 이루어졌다. Veselago는 그 당시 - 그리고 지금까지도 발견된 적이 없는 - 보고된 적이 없는 그런 물질의 특성에 대해 연구하였다. 해당 문헌에서[1] 그는 이러한 물질이 빛을 전달할 수 있다는 것과 위상속도가 포인팅 벡터의 방향과 역평행 상태에 있을 수 있음을 보였다. 이것은 자연적으로 물질 내에서 일어나는 전파와는 대조된다. 이는 추후 왼손잡이 (left-handed) 물질이라는 용어를 만들어낸다.한편 1996년 Pendry 등은 정육면체 격자로 짜여진 금속 도선을 이용해 플라즈마 주파수가 대단히 낮은 인공구조를 보고하게 된다. 플라즈마 주파수란 금속의 유전율을 묘사하는 변수인데, 입사파의 주파수가 이보다 작을 경우 해당 주파수에서의 유전율은 음수가 되어 단순히 감쇠하는 반응을 보이게 된다. 해당 논문에서는 일반적인 물질에서는 얻을 수 없었던 물성을 금속의 주기적 배치로 얻어낸 것이다.
결국 Pendry 등은 1999년에 원자보다 큰 규모의 단위격자를 주기적으로 배치하여 메타물질을 제작하는 방법을 제안하였다.
(전략) Therefore, it is only a small step to replace the atoms of the original concept with structure on a larger scale. We shall consider periodic structures defined by a unit cell of characteristic dimensions a. The contents of the cell will define the effective response of the system as a whole. (후략)
(전략) 그러니, 원래의 원자 개념을 더 큰 규모의 구조로 대체하는 것은 단지 작은 발걸음일 뿐입니다. 우리는 특성 치수 a로 정의되는 단위 세포의 주기적 구조를 고려하였습니다. 세포의 내용물은 전체적인 시스템의 유효 응답을 정의할 것입니다. (후략)
Pendry, J. B. 외, (1999).[2]
(전략) 그러니, 원래의 원자 개념을 더 큰 규모의 구조로 대체하는 것은 단지 작은 발걸음일 뿐입니다. 우리는 특성 치수 a로 정의되는 단위 세포의 주기적 구조를 고려하였습니다. 세포의 내용물은 전체적인 시스템의 유효 응답을 정의할 것입니다. (후략)
Pendry, J. B. 외, (1999).[2]
2003년에는 복잡한 음의 굴절률과 오른손법칙이 적용되지 않는 물질로 만들어진 렌즈를 보였고, 2006년에 마이크로파의 진동수에서 처음으로 불완전한 투명 망토가 검증되었다.