2017-02-03
듀크 대학교의 전기 엔지니어들이 금속을 사용하지 않는 세계 최초의 전자기 메타물질을 만들었다. 이 장치는 발열 없이 전자기 에너지를 흡수할 수 있어 영상, 센서, 조명 등에 직접 적용하는 가능성을 가지고 있다.
메타물질은 여러 인공 재료를 합성하여 만들어져 자연에서 찾을 수 없는 특징을 갖는다. 수천 개의 작은 세포로 구성된 평면을 전자기파가 이동한다고 상상해보자. 각 세포를 전자기파에 따라 조작할 수 있다면 전체적인 파동의 움직임을 바로 파악할 수 있을 것이다.
지금까지 전자기파를 다루는 연구는 주로 도체를 사용해 왔다. 하지만 금속재료는 많은 전기를 흐르게 하는 재료일수록 열도 잘 전달하는 문제를 안고 있다. 따라서 온도에 영향을 많이 받는 분야에는 응용하기가 어려웠다.
이번에 듀크 대학교에서 발표한 논문은 완전한 부도체 비금속 전자기 재료를 합성한 것으로 그 표면에 테라헤르츠파를 흡수하는 레고블록처럼 원통형 홈을 가지고 있다. 구체적인 주파수 범위는 적외선에서 마이크로파 영역이지만 전자기 스펙트럼의 어떤 주파수에서도 적용이 가능할 것으로 보인다. 이 논문은 1월 9일 옵틱스 익스프레스에 게재되었다.
이런 종류의 재료를 이전에도 합성한 적이 있지만 항상 약간의 금속을 포함한 부도체가 사용되었다. 이번 연구가 아직 최적화가 필요하지만 금속을 기반으로 한 방법보다 훨씬 쉽게 여러 분야에 적용할 수 있을 것으로 본다고 전기 컴퓨터 공학과 윌리 패딜라 교수가 말했다.
연구팀이 합성한 재료는 비금속인 붕소 도핑 실리콘(boron-doped silicon)이다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 테라헤르츠파가 다양한 높이와 폭을 가진 실린더와 어떻게 상호작용하는지 계산했다. 이어 평면에 수백 개의 최적화된 원통을 나열한 프로토타입을 제조했다. 물리실험에서 1.011테라헤르츠파가 생성하는 에너지의 97.5%를 흡수할 수 있는 것으로 측정되었다.
전자기파에서 효율적으로 에너지를 흡수하는 것은 여러 분야에서 중요하다. 예를 들면, 테라 헤르츠 범위에서 작동하는 열영상장비의 경우 금속을 사용했기 때문에 선명한 영상을 얻기가 쉽지 않았다. 열은 금속을 따라 빨리 전파되어 열영상에 문제가 될 수 있다. 제조과정에서 금속을 격리하는 방법을 사용하고 있지만 복잡하고 비용이 많이 드는 작업이다.
이 외에도 효율적인 조명에 응용할 수 있다. 백열전구는 빛은 물론이고 상당한 열을 방출하여 에너지를 낭비한다. 또한 빛을 발생시키기 위해서는 대부분 재료의 녹는점보다 훨씬 높은 고온을 견뎌야 한다. 이 신소재를 사용하면, 폐열 없이 열을 방출하는 조명장치를 만들 수 있게 된다.
새로운 재료를 합성하여 열로 인한 장비의 특성 열화나 에너지 낭비를 없애고 효율적인 에너지 활용방법을 찾고 있음을 보여준다.
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