파동에너지 마음대로 제어하는 신물질 개발
박남규 서울대 교수팀 개발…광학·반도체 등에 적용 가능

박남규 서울대 교수(왼쪽)과 유선규 박사.

잔잔한 물에 돌을 던지면 돌 주위로 물결이 인다. 이는 돌이 일으킨 파동에너지를 물이 전달하기 때문이다. 상대가 말한 소리를 들을 수 있는 것도 공기가 파동에너지를 전달하기 때문이다. 이렇게 에너지를 전달하는 것을 '매질'이라고 한다.

17일 박남규 서울대 전기정보공학부 교수팀에 따르면 파동에너지를 자유롭게 제어할 수 있는 새로운 형태의 매질을 세계 최초로 개발해 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances) 최신호에 발표했다. 이번 연구 결과는 파동에너지를 쓰는 광학, 음향학, 양자역학, 반도체 분야 등에 널리 적용될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

매질은 이를 이루는 구성물의 배열 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉜다. 같은 물질이 균일하게 배열된 '주기적 매질'과 서로 다른 요소가 불규칙하게 배열된 '무질서한 매질'이다. 무질서한 매질은 주기적 매질보다 만들기 쉽다는 장점이 있지만, 파동에너지를 잘 전파할 수 없어 현실적으로 전자나 광소자에 응용하기는 어려웠다.

이번 연구에서 연구진은 두 매질의 장점만 조화롭게 섞은 새로운 매질을 만들었다. 서로 다른 요소를 썼다는 점은 무질서한 매질과 같지만, 배열 방식에 숨은 질서가 있어 파동이 매우 잘 전파된다는 점에서 주기적 매질과 같다. 이는 바닥에 서로 다른 모양의 타일을 깔 때를 생각하면 된다. 타일의 모양은 다르지만, 특정한 배열을 통해 틈 없이 바닥을 채우는 방식과 같은 것이다. 연구진이 새로 개발한 매질은 파동에너지의 특성이 자유롭게 제어돼 원하는 형태의 파동을 전달하는 게 가능한 것으로 확인됐다.

이번 논문의 제1 저자인 유선규 서울대 박사는 "질서와 무질서 네트워크의 중간 영역에 존재하는 새로운 매질을 개발했다"며 "만들기 쉽다는 무질서 매질의 장점과 효율이 높은 주기적 매질의 장점을 동시에 만족한다"고 설명했다.

박남규 교수는 "앞으로 광학, 반도체 분야에 적용할 수 있고, '투명망토' 같은 메타물질(자연계에 없는 성질을 가진 인공물질)의 개발에도 큰 도움을 줄 것"이라고 전했다.

이번 연구는 미래부 글로벌 프론티어 사업(파동에너지 극한제어 연구단), 글로벌 연구실 사업과 교육부 대통령 포스닥 펠로우십 과제의 지원으로 수행했다.