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메타 물질

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목차

1. 개요

메타물질은 전자기파의 파장보다 작은 구조적 특징을 갖도록 인공적으로 설계된 물질로, 자연계에 존재하지 않는 독특한 전자기적 특성을 나타낸다. 19세기 말부터 연구가 시작되어, 1960년대와 1990년대에 마이크로파 안테나 및 레이더 흡수 재료 개발을 위해 연구되었으며, 1967년 빅토르 베셀라고에 의해 음의 굴절률을 가진 물질에 대한 이론이 제시되었다. 2000년대에는 존 펜드리에 의해 좌수성 메타물질을 만드는 방법이 제시되었고, 데이비드 R. 스미스 연구진에 의해 실험적으로 구현되었다.

메타물질은 음의 굴절률 메타물질(NIM), 단일 음수 메타물질(SNG), 쌍곡 메타물질(HMM), 밴드갭 메타물질(EBG) 등 다양한 종류로 분류되며, 전자기파, 음파, 열, 기계적 특성 등을 조절하는 데 사용될 수 있다. 안테나, 초렌즈, 은폐 장치, 지진파 제어, 의료 영상, 약물 전달 등 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 현재도 활발한 연구가 진행되고 있다.

2. 역사

메타물질에 대한 개념은 19세기 후반 자갈디쉬 찬드라 보스의 카이랄성 물질 연구 등에서 시작되었지만, 현대적인 연구는 20세기 후반 빅토르 베셀라고의 음의 굴절률 이론 제시와 21세기 초 존 펜드리, 데이비드 R. 스미스 등의 연구를 통해 본격화되었다.

현대 연구자들은 지배 방정식을 기준으로 메타물질 영역을 전자기/광학파 메타물질, 기타 파 메타물질, 확산 메타물질의 세 가지 주요 분기로 분류한다.[27] 확산 메타물질은 확산 길이를, 파동 메타물질은 파장을 핵심 측정 항목으로 삼으며, 이 둘은 서로 뚜렷한 상호 보완 관계를 가진다.[27]

2008년 현재 많은 연구자들이 메타물질 연구 개발에 매달리고 있다.[122]

2. 1. 초기 연구

전자기파를 인공적으로 조작하는 물질에 대한 연구는 19세기 말에 시작되었다. 1898년 자갈디쉬 찬드라 보스는 카이랄성 물질을 연구했는데, 이는 메타물질의 초기 구조로 여겨진다. 20세기 초, 칼 페르디난트 린드만은 금속 나선을 이용해 인공 키랄 매체에서의 파동 간섭 실험을 진행했다. 1940년대 후반, 윈스턴 E. 콕은 메타물질과 유사한 성질을 가진 물질을 개발했다. 1950년대와 1960년대에는 경량 마이크로파 안테나 제작을 위해 인공 유전체가 연구되었다. 1980년대와 1990년대에는 인공 키랄 매체를 활용한 마이크로파 레이더 흡수 재료 연구가 진행되었다.[31][17][18]

1967년 빅토르 베셀라고는 음의 굴절률을 갖는 물질을 이론적으로 처음 설명했다.[19] 그는 이 물질이 빛을 투과시킬 수 있으며, 위상 속도가 포인팅 벡터와 반대 방향일 수 있음을 보였다. 이는 자연 상태 물질의 파동 전파와는 다른 현상이다.[7]

1995년 존 M. 게라는 50nm 선과 간격을 가진 서브파장 투명 격자(이후 광자 메타물질)를 제작하고, 이를 50nm 선과 간격을 가진 실리콘 웨이퍼 격자 분해를 위해 표준 오일 침지 현미경 대물렌즈(이후 초렌즈)와 결합했다. 이 초고해상도 이미지는 공기 중에서 650nm 파장의 조명으로 얻어졌다.[13]

2000년 존 펜드리는 오른손 법칙을 따르지 않는 좌수성 메타물질을 만드는 실용적인 방법을 최초로 제시했다.[19] 이 물질은 전자기파 에너지를 위상 속도와 반대 방향으로 전달할 수 있다. 펜드리는 파동 방향으로 배열된 철제 와이어가 음의 유전율(ε < 0)을 가질 수 있다고 보았다. 강유전체 같은 자연 물질은 음의 유전율을 나타내는데, 문제는 음의 투자율(μ < 0)을 얻는 것이었다. 1999년 펜드리는 파동 전파 방향과 나란히 놓인 C 모양 고리가 음의 투자율을 가질 수 있음을 증명했다. 그는 와이어와 고리의 주기적 배열이 음의 굴절률을 유발할 수 있음을 보였고, 스위스 롤이라는 관련 디자인도 제안했다.

2000년 데이비드 R. 스미스 연구진은 분할 링 공진기와 얇은 와이어 구조를 수평으로 쌓아 주기적으로 배치한 전자기 메타물질의 작동을 실험적으로 증명했다. 2002년에는 마이크로스트립 기술에서 인공 집중 소자 부하 전송선을 이용해 음의 굴절률 메타물질을 구현하는 방법이 제시되었다. 2003년에는 좌수성 메타물질을 사용한 복소수(실수부와 허수부 모두) 음의 굴절률[20]과 평면 렌즈 영상화[21]가 시연되었다. 2007년까지 여러 그룹에서 음의 굴절률 관련 실험을 수행했다.[3][85] 2006년에는 마이크로파 주파수에서 최초의 불완전한 투명 망토가 구현되었다.[22][23][24][25][26]

2. 2. 음의 굴절률 이론

1968년 러시아의 물리학자 빅토르 베셀라고는 음의 굴절률을 가진 물질이 이론적으로 가능하다는 것을 처음으로 제시했다.[19] 그는 이러한 물질에서 위상 속도가 포인팅 벡터의 방향과 반대 방향이 될 수 있음을 보였다. 이는 자연 상태의 물질에서 나타나는 파동 전파와는 상반되는 현상이다.[7]

2000년 존 펜드리는 오른손 법칙을 따르지 않는, 즉 좌수성(left-handed) 메타물질을 만드는 실질적인 방법을 제안했다.[19] 펜드리는 파동의 진행 방향과 평행하게 배열된 금속 와이어가 음의 유전율 (ε < 0)을 가질 수 있다고 보았다. 자연계의 일부 물질(예: 강유전체)도 음의 유전율을 보인다. 펜드리는 여기에 더해 음의 투자율(μ < 0)을 구현하는 방법을 연구했다. 1999년 그는 파동 전파 방향으로 축이 놓인 C자형 고리(분할 링)가 음의 투자율을 낼 수 있음을 증명했다. 그는 또한 와이어와 고리를 주기적으로 배열하면 음의 굴절률이 발생할 수 있음을 보였다. 펜드리는 이와 관련된 음의 투자율을 위한 또 다른 디자인인 스위스 롤도 제시했다.

2. 3. 메타물질 구현

1968년 빅토르 베셀라고가 음의 굴절률을 갖는 물질에 대한 이론을 처음 제시한 후,[19] 2000년에 데이비드 R. 스미스 연구진은 분할 링 공진기와 얇은 와이어 구조를 수평으로 쌓아 전자기 메타물질을 구현하는 데 성공했다.[122] 2002년에는 마이크로스트립 기술을 이용해 인공 집중 소자를 전송선에 부하하여 음의 굴절률 메타물질을 구현하는 방법이 제시되었다. 2003년에는 복소수 음의 굴절률을 갖는 왼손성 메타물질로 만든 평면 렌즈를 이용한 이미징이 검증되었다.[20][21]

존 펜드리는 오른손 법칙을 따르지 않고 전자기파의 에너지와 위상 속도가 반대 방향으로 진행하는 왼손성 메타물질을 만드는 방법을 고안했다.[19] 그는 금속 와이어가 음의 유전율을, 분할 링(C 모양)이 음의 투자율을 제공할 수 있음을 보였다. 또한 와이어와 링을 주기적으로 배열하면 음의 굴절률이 발생함을 증명하고, 스위스 롤 디자인도 제안했다.

2007년까지 여러 연구 그룹에서 음의 굴절률 관련 실험을 진행했으며, 2006년에는 마이크로파 주파수에서 최초의 불완전한 투명 망토가 구현되었다.[22][23][24][25][26]

3. 전자기 메타물질의 종류

전자기 메타물질은 파장보다 작은 구조적 특징을 가지며, 상호작용하는 전자기파에 영향을 미친다. 균질 물질처럼 효과적인 굴절률로 묘사되기 위해서는, 그 특징들이 파장보다 훨씬 작아야 한다.

메타물질의 특이한 성질은 격자 내 공간 배열보다는 각 구성 요소의 공명 반응에서 비롯된다. 이는 국소적인 유효 물질 파라미터(유전율 및 투자율)를 고려할 수 있게 한다. 요소들의 상호 배열과 관련된 공명 효과는 브래그 산란을 유발하며, 이는 광자 결정의 물리학적 기초가 된다.

마이크로파 방사선의 경우, 특징의 크기는 밀리미터 단위이다. 마이크로파 주파수 메타물질은 일반적으로 인덕터 및 캐패시터 특성을 갖는 전도성 요소(예: 전선 루프)의 배열로 구성된다. 많은 마이크로파 메타물질은 분할 링 공진기를 사용한다.[4][5]

광자 메타물질은 나노미터 규모로 구조화되어 있으며 광 주파수에서 빛을 조작한다. 광자 결정, 회절 격자, 유전체 거울, 광학 코팅과 같은 주파수 선택 표면은 서브파장 구조 메타물질과 유사성을 나타내지만, 회절 또는 간섭에서 기능이 발생하므로 균질 물질로 근사될 수 없어 일반적으로 메타물질과 구별된다.

플라즈몬 메타물질은 표면 플라즈몬을 활용하며, 이는 광 주파수에서 금속 표면에서 집단적으로 진동하는 전기적 전하의 묶음이다.

주파수 선택 표면(FSS)은 서브파장 특성을 나타낼 수 있으며 인공 자기 도체(AMC) 또는 고 임피던스 표면(HIS)으로 알려져 있다. FSS는 서브파장 구조와 직접 관련된 유도 및 용량 특성을 나타낸다.[30]

전자기 메타물질은 다음과 같이 여러 종류로 나눌 수 있다:[3][19][31][32]


  • 음의 굴절률 메타물질 (NIM): 음의 굴절률을 가지는 메타물질이다.
  • 단일 음수 메타물질 (SNG): 음의 상대 유전율($\epsilon_r$) 또는 음의 상대 투자율($\mu_r$) 중 하나만 가지는 물질이다.
  • 쌍곡 메타물질 (HMM): 빛의 특정 편광이나 전파 방향에 따라 금속이나 유전체처럼 동작한다.
  • 밴드갭 메타물질 (EBG): 빛의 전파를 제어한다.
  • 이중 양성 매질 (DPS): 유전체와 같이 자연계에도 존재하며, 유전율과 자기 투자율이 모두 양수이며 파동의 전파는 정방향으로 이루어진다.
  • 바이아이소트로픽 및 바이애니소트로픽 메타물질: 전기장이 자기 편광을 유발하고 자기장은 전기적 편광을 유도하는 자기전기 결합을 가진다.
  • 키랄 메타물질: 3차원-키랄 구조를 모체 매질에 삽입하여 구성되며, 키랄성과 관련된 편광 효과를 나타낸다.
  • 주파수 선택 표면 기반 메타물질 (FSS): 한 파장대역의 신호를 막고 다른 파장대역의 신호를 통과시키는 특성을 지닌다.


빛은 전장과 자장이 교대로 생성되어 전파되는 전자기파이며, 물질과의 상호작용은 비유전율과 비투자율로 나타낸다. 빛의 굴절률은 두 물리량을 곱한 값의 제곱근으로, 자연계 대부분의 물질은 가시광선 파장대 빛의 전장과 상호작용하지만 자장과는 상호작용하지 않아 비투자율 값이 1.0이다. 따라서 굴절률은 비유전율만으로 결정된다는 것이 일반적인 광학 상식이었다. 그러나 전자기 메타물질의 등장으로 빛의 자장 파동과 상호작용하는 인공 물질 제작이 가능해져 다양한 굴절률을 갖는 물체 제작이 가능해졌다. "메타"는 "초월한"이라는 뜻이며, "전자기 메타물질"은 "기존 광학의 상식을 초월한 물질"이라는 의미이다.[123]

메타물질은 "단위 소자"라고 불리는 미소 단위가 전자기파 파장에 비해 충분히 작은 거리로 인위적으로 배치되어, 전자기파에 대해 균질한 매질로 작동하도록 구성된 물질이다. 단위 소자로는 인공 유전체, 인공 자성체, 고분자 재료, 포토닉 결정, EBG 등이 있다.

  • 인공 유전체: 금속 와이어를 일정 방향으로 정렬하여 등간격으로 배치한 구조체이다.
  • 인공 자성체: C자형으로 일부를 절단한 금속 링(금속 스플릿 링 공진기)이다.[126]

3. 1. 음의 굴절률 메타물질 (NIM)

음의 굴절률 메타물질(NIM)은 음의 굴절률을 가지는 메타물질을 말한다. NIM은 "왼손 매질", "음의 굴절률을 가진 매질", "역진파 매질" 등으로도 불린다.[3] 음의 굴절률이 음의 유전율과 음의 투자율에서 동시에 발생할 때, 이러한 NIM을 이중 음의 메타물질 또는 이중 음의 물질(DNG)이라고도 부른다.[19]

일반적인 물질()에서는 매질이 되는 물체에 입사한 빛은 반대쪽으로 굴절되지만(적색선), 음의 굴절률을 가진 물질()에서는 입사 방향과 같은 쪽으로 굴절이 일어난다(녹색선)


균일 평면 경계면에서 빛의 음의 굴절을 나타내는 비디오


유전율 \varepsilon_r, 투자율 \mu_r, 굴절률 ''n'' 사이의 관계는 n =\pm\sqrt{\varepsilon_\mathrm{r}\mu_\mathrm{r}}로 나타낼 수 있다. 유리, 물과 같이 알려진 모든 비-메타물질 투명 물질은 양의 \varepsilon_r과 \mu_r을 가진다. 일반적으로 ''n''에는 양의 제곱근을 사용하지만, 일부 메타물질은 \varepsilon_r과 \mu_r < 0을 가질 수 있다. 이때 ''n''은 실수이며, 음의 제곱근을 취해야 한다. \varepsilon_r과 \mu_r이 모두 양수(음수)이면 파동은 ''정방향''(''역방향'')으로 이동한다. \varepsilon_r과 \mu_r의 부호가 반대인 물질에서는 전자기파가 전파될 수 없어 전자기파에 불투명하며, 표면 플라즈몬 물질(예: 금, 은)이 이에 해당한다.

하지만, 복소수 \varepsilon_r과 \mu_r을 고려하면, 수동 물질이 음의 굴절을 나타내기 위해 \varepsilon_r과 \mu_r의 실수부가 모두 음수일 필요는 없다.[33][34] 실제로, 키랄성에서도 원형 편광파의 음의 굴절률이 발생할 수 있다.[35][36]

음의 ''n''을 가진 메타물질은 다음과 같은 특징을 보인다.[31][37]

  • 스넬의 법칙(''n''1sin''θ''1 = ''n''2sin''θ''2)은 여전히 유효하지만, ''n''2가 음수이므로 입사 광선과 굴절 광선은 양과 음의 지수 물질의 경계면에서 표면 법선의 ''같은'' 쪽에 위치한다.
  • 체렌코프 복사는 반대 방향을 가리킨다.
  • 시간 평균 포인팅 벡터는 위상 속도에 역평행하다.
  • 전자기 메타물질에서 전파되는 평면파는 왼손 법칙을 따른다.


현재까지 음의 굴절률을 나타내는 것은 메타물질뿐이다.[3][37][38]

존 펜드리 교수가 2002년에 발표한 논문은, 굴절률이 음수인 물질이 있다면 아주 작은 것도 빛으로 관찰할 수 있다고 주장하여 개발 경쟁을 촉발했다. 근접장 광을 증폭하면 기존 광학 현미경의 한계를 넘어 빛의 파장 이하 크기의 물체를 볼 수 있다는 것이다.

광학이나 단파장의 전자기파에서 특징적인 성질을 보이며, 분해능의 한계나 회절 한계 돌파가 가능하고, 초고 분해능 렌즈, 광섬유, 밴드패스 필터, 새로운 종류의 렌즈·안테나, 투명화 기술(광학 위장) 등에 응용될 것으로 기대된다.

음의 굴절률로 인해 나타나는 현상은 다음과 같다.

  • 일반적인 광학 매질에서는 비스듬히 입사한 빛이 입사면에서 약간 굴절되지만, 음의 굴절률을 가진 메타물질에서는 굴절 방향이 반대가 되어 빛의 경로가 "ㄱ자" 모양으로 꺾인다.
  • 물이나 기존의 유리에서는 유전율 및 투자율은 양수이다. 그러나, 금이나 은 등의 금속 중에는 가시광선 영역에서 음의 유전율을 갖는 것이 있다.
  • 도플러 효과는 역방향으로 발생한다.
  • 군속도와 위상 속도가 일치하지 않는다.
  • 포인팅 벡터의 방향이 통상의 물질과 다르다.


마이크로파나 적외선 영역에서 이러한 성질을 나타내는 금속이나 금속 화합물이 시제품으로 만들어지고 있다.

구체적인 구조 예로는, 이화학연구소의 금속 미세 주기 구조(나노 금속 공진기 어레이)를 통해 표면 플라즈몬을 이용한 것[124], 도요타 중앙연구소와 야마구치 대학의 테플론 기판 위에 구리와 액정 어레이를 배치한 밀리미터파용, 퍼듀 대학교의 이산화 규소 · 금 · 티타늄박막을 라미네이션하여 어레이로 한 적외선용 등이 있다.[125]

이러한 전자기파의 거동은 플레밍의 왼손 법칙을 따르므로, 음의 굴절률을 갖는 물질을 "왼손 법칙 물질"이나 "왼손 법칙 메타물질"이라고도 한다. 왼손 법칙은 균질 매질 내에서의 전장（E), 자장（H), 파수（k）의 방향을 나타내는 좌표계이다. 즉, 기존의 오른손 법칙에서 k는 E×H의 방향과 같지만, 왼손 법칙에서는 k의 방향은 E×H의 방향과 반대 방향이다.

3. 2. 단일 음수 메타물질 (SNG)

SNG 메타물질은 음의 상대 유전율($\epsilon_r$) 또는 음의 상대 투자율($\mu_r$) 중 하나만 가지는 물질이다.[19] SNG는 다른 보완적인 SNG와 결합하여 DNG로 공동 작용할 때 메타물질 역할을 한다.

  • 엡실론 음수 매질(ENG): $\epsilon_r$은 음수이고, $\mu_r$은 양수이다.[3][37][19] 플라즈마가 이러한 특성을 보인다. 예를 들어 금이나 은과 같은 귀금속은 적외선 및 가시광선 스펙트럼에서 ENG이다.

  • 뮤 음수 매질(MNG): $\epsilon_r$은 양수이고, $\mu_r$은 음수이다.[3][37][19] 자이로트로픽 또는 자이로자기성 물질이 이러한 특성을 나타낸다. 자이로트로픽 물질은 준정적 자기장의 존재에 의해 변형되어 자기-광학 효과를 가능하게 하는 물질이다. 자기-광학 효과는 전자기파가 그러한 매질을 통과할 때 나타나는 현상이다. 이러한 물질에서 왼쪽 및 오른쪽 회전 타원 편광은 서로 다른 속도로 전파될 수 있다. 빛이 자기-광학 물질의 층을 통과하면 그 결과는 패러데이 효과라고 불린다. 즉, 편광면이 회전하여 패러데이 회전기를 형성할 수 있다. 이러한 반사의 결과는 자기-광학 커 효과(비선형 커 효과)와 혼동해서는 안 된다. 두 개의 주요 편광의 회전 방향이 반대인 두 개의 자이로트로픽 물질을 광학 이성질체라고 한다.


ENG 물질의 슬래브와 MNG 물질의 슬래브를 결합하면 공명, 이상 터널링, 투명도 및 영 반사와 같은 특성이 나타난다. 음의 굴절률 물질과 마찬가지로 SNG는 본질적으로 분산성이 있으므로 $\epsilon_r$, $\mu_r$ 및 굴절률 n은 주파수의 함수이다.[37]

3. 3. 쌍곡 메타물질 (HMM)

쌍곡 메타물질(HMM)은 빛의 특정 편광이나 전파 방향에 따라 금속처럼, 혹은 유전체처럼 동작한다. 이는 음수 및 양수 유전율 텐서 성분으로 인해 발생하며, 극심한 이방성을 나타낸다.[39] 파수 공간에서 이 물질의 분산 관계는 쌍곡면을 형성하기 때문에 쌍곡 메타물질이라고 불린다. HMM의 극심한 이방성은 내부 및 표면에서 빛의 방향성 전파를 유도한다.[39] HMM은 센싱, 반사 변조기,[40] 이미징, 광 신호 제어, 향상된 플라즈몬 공명 효과 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.[41]

3. 4. 밴드갭 메타물질 (EBG)

전자기 밴드갭 메타물질(EBG 또는 EBM)은 빛의 전파를 제어한다. 이는 광자 결정(PC) 또는 좌수성 물질(LHM)을 사용하여 수행된다. PC는 빛의 전파를 완전히 금지할 수 있으며, 두 종류 모두 특정 설계된 방향으로 빛이 전파되도록 하거나 원하는 주파수에서 밴드갭을 갖도록 설계할 수 있다.[42][43] EBG의 주기 크기는 파장의 상당 부분을 차지하며, 이는 보강 및 소멸 간섭을 일으킨다.

PC는 가변 메타물질과 같은 서브파장 구조와 구별되는데, 밴드갭 특성에서 속성을 파생시키기 때문이다. PC는 다른 메타물질과 달리 서브파장 구조를 노출하는 대신 빛의 파장에 맞게 크기가 조정된다. 또한 빛을 회절시켜 작동하는 반면, 메타물질은 회절을 사용하지 않는다.[44]

PC는 산란으로부터의 파괴적 간섭으로 인해 파동 전파를 억제하는 주기적인 포함물을 가지고 있다. PC의 광자 밴드갭 특성은 PC를 전자 반도체 결정의 전자기적 유사체로 만든다.[45]

EBG는 고품질, 저손실, 주기적인 유전체 구조를 만드는 것을 목표로 한다. EBG는 반도체 재료가 전자에 영향을 미치는 방식과 동일하게 광자에 영향을 미친다. PC는 빛의 전파를 허용하지 않기 때문에 완벽한 밴드갭 물질이다.[46] 처방된 주기적 구조의 각 단위는 훨씬 더 큰 크기이긴 하지만 하나의 원자처럼 작용한다.[3][46]

EBG는 특정 입사각 및 편광에 대해 할당된 대역폭의 주파수 전파를 방지하도록 설계되었다. 다양한 형상과 구조가 EBG의 특수 속성을 제작하기 위해 제안되었으나, 실제로 완벽한 EBG 장치를 구축하는 것은 불가능하다.[3][31]

EBG는 수 기가헤르츠(GHz)에서 수 테라헤르츠(THz)에 이르는 주파수, 즉 라디오, 마이크로파 및 중적외선 주파수 영역에서 제조되었다. EBG 응용 개발에는 전송선, 정사각형 유전체 바 및 여러 가지 유형의 낮은 이득 안테나로 만들어진 파일이 포함된다.[3][31]

3. 5. 이중 양성 매질 (DPS)

이중 양성 매질(DPS)은 유전체와 같이 자연계에도 존재한다. 유전율과 자기 투자율은 모두 양수이며 파동의 전파는 정방향으로 이루어진다. DPS, ENG, MNG 특성을 결합한 인공 물질이 제작되었다.[3][19]

3. 6. 바이아이소트로픽 및 바이애니소트로픽 메타물질

메타물질은 일반적으로 ε(유전율)과 μ(투자율)로 설명되는 독립적인 전기적 및 자기적 반응을 갖는다고 가정하여 이중 음수, 단일 음수 또는 이중 양수로 분류된다. 그러나 많은 경우에 전기장이 자기 편광을 유발하고 자기장은 전기적 편광을 유도하는데, 이를 자기전기 결합이라고 한다. 이러한 매질은 바이아이소트로픽으로 표기된다.[31] 자기전기 결합을 나타내고 이방성인 매질(많은 메타물질 구조의 경우[47])은 바이-이방성이라고 한다.[48][49]

바이아이소트로픽 매질의 자기전기 결합에 내재된 네 가지 물질 파라미터는 전기장('''E''')과 자기장('''H''') 강도, 그리고 전기('''D''') 및 자기('''B''') 플럭스 밀도이다. 이러한 매개변수는 각각 ε, μ, ''κ'' 및 χ 또는 유전율, 투자율, 키랄성의 강도 및 텔레겐 파라미터이다. 이러한 유형의 매질에서 물질 파라미터는 측정 회전 좌표계의 변화에 따라 변하지 않으며, 이러한 의미에서 불변이거나 스칼라이다.[31]

내재적 자기전기 파라미터인 ''κ'' 및 ''χ''는 파의 위상에 영향을 미친다. 키랄성 파라미터의 효과는 굴절률을 분할하는 것이다. 등방성 매질에서 이것은 ε과 μ가 동일한 부호를 가질 경우에만 파동 전파를 초래한다. ''χ''가 0이고 ''κ''가 0이 아닌 값을 갖는 바이아이소트로픽 매질에서는 다른 결과가 나타난다. 후진파 또는 전진파가 발생할 수 있으며, 키랄성 파라미터의 강도에 따라 두 개의 전진파 또는 두 개의 후진파가 발생할 수도 있다.

일반적인 경우, 바이-이방성 물질에 대한 구성 관계는 다음과 같다.

\mathbf{D} = \varepsilon \mathbf{E} + \xi \mathbf{H},

\mathbf{B} = \zeta \mathbf{E} + \mu \mathbf{H},

여기서 \varepsilon 및 \mu 는 각각 유전율 및 투자율 텐서인 반면, \xi 및 \zeta 는 두 개의 자기-전기 텐서이다. 매질이 상호적이면 유전율과 투자율은 대칭 텐서이고, \xi=-\zeta^T=-i \kappa^T 이며, 여기서 \kappa 는 키랄 전자기 및 상호적 자기-전기 응답을 설명하는 키랄 텐서이다. 키랄 텐서는 \kappa=\tfrac{1}{3}\operatorname{tr}(\kappa) I+N+J 로 표현될 수 있으며, 여기서 \operatorname{tr}(\kappa) 는 \kappa 의 트레이스이고, I는 항등 행렬, N은 대칭 무자취 텐서, J는 반대칭 텐서이다. 이러한 분해를 통해 상호 바이이방성 응답을 분류할 수 있으며, 다음과 같은 세 가지 주요 클래스를 식별할 수 있다. (i) 키랄 매질 ( \operatorname{tr}(\kappa) \neq 0, N \neq 0, J=0 ), (ii) 유사 키랄 매질 ( \operatorname{tr}(\kappa) = 0, N \neq 0, J=0 ), (iii) 오메가 매질 ( \operatorname{tr}(\kappa) = 0, N = 0, J \neq 0 ).

3. 7. 키랄 메타물질

키랄 메타물질은 3차원-키랄 구조를 모체 매질에 삽입하여 구성되며, 키랄성과 관련된 편광 효과를 나타낸다. 광학 활성 및 원형 이색성과 같은 현상이 그 예이다. 3차원-키랄 메타물질은 유효 키랄성 매개변수 \kappa가 0이 아닌 키랄 재료 또는 공진기로 구성된다.[31]

이러한 키랄 메타물질에서의 파동 전파 특성은 강한 키랄성과 양의 \varepsilon_r 및 \mu_r을 가진 메타물질에서 음의 굴절이 실현될 수 있음을 보여준다.[57][58] 이는 굴절률 n이 좌/우 원편광파에 대해 서로 다른 값을 갖기 때문이다. 굴절률은 다음과 같이 주어진다.

: n = \pm\sqrt{\varepsilon_r\mu_r} \pm \kappa

\kappa > \sqrt{\varepsilon_r\mu_r}인 경우, 한 편광에 대해 음의 지수가 발생한다. 이 경우, 역파 전파를 위해 \varepsilon_r과 \mu_r 중 하나 또는 둘 모두가 음수일 필요는 없다.[31] 키랄성으로 인한 음의 굴절률은 2009년에 Plum 등[35]과 Zhang 등[36]에 의해 동시에 독립적으로 처음 관찰되었다.

2차원 키랄성 개념도 존재한다. 평면 객체가 평면에서 들어올리지 않고는 거울상과 겹쳐질 수 없다면 키랄하다고 한다. 비등방성이고 손실이 있는 2차원-키랄 메타물질은 원형 변환 이색성으로 인해 원편광파의 방향 비대칭 투과(반사, 흡수)를 나타내는 것으로 관찰되었다.[50][51]

3. 8. 주파수 선택 표면 기반 메타물질 (FSS)

주파수 선택 표면(FSS) 기반 메타물질은 한 파장대역의 신호를 막고 다른 파장대역의 신호를 통과시키는 특성을 지닌다. 이는 고정된 주파수 응답을 가진 메타물질의 제한적인 한계를 극복하고, 단일 매질 내에서 주파수를 선택적으로 변경할 수 있게 해준다.[59] FSS는 인공 자기 도체(AMC) 또는 고 임피던스 표면(HIS)으로도 알려져 있으며, 서브파장 구조와 직접 관련된 유도 및 용량 특성을 나타낸다.[30]

빛은 전장과 자장이 교대로 생성되며 전파되는 전자기파이며, 물질과의 상호작용은 비유전율과 비투자율로 나타낸다. 빛의 굴절률은 이 두 물리량을 곱한 값의 제곱근으로 표현된다. 자연계에 존재하는 대부분의 물질은 가시광선 파장대 빛의 전장과는 상호작용하지만 자장과는 상호작용하지 않아 비투자율 값이 1.0이다. 따라서 굴절률은 비유전율만으로 결정된다는 것이 일반적인 광학 상식이었다. 그러나 전자기 메타물질의 등장으로 빛의 자장 파동과 상호작용하는 인공 물질을 만들 수 있게 되면서 다양한 굴절률을 갖는 물체 제작이 가능해졌다. "메타"는 "초월한"이라는 뜻으로, "전자기 메타물질"은 "기존 광학의 상식을 초월한 물질"이라는 의미이다.[123]

존 펜드리 교수는 2002년 "만약 굴절률이 음의 물질이 있다면, 무한히 작은 것을 빛으로 관찰할 수 있다"는 논문을 발표하여 개발 경쟁에 불을 붙였다. 빛의 파장보다 작은 구조의 정보를 가진 빛, 근접장 광을 증폭하면 기존 광학 현미경의 한계를 넘어 빛의 파장 이하 크기의 물체를 볼 수 있다고 한다.

광학이나 단파장의 전자기파에서 특징적인 성질을 나타내는 FSS 기반 메타물질은 분해능 한계나 회절 한계 돌파가 가능하며, 초고 분해능 렌즈, 광섬유, 밴드패스 필터, 신종 렌즈·안테나, 투명화 기술(광학 위장) 등에 응용될 수 있다. 또한 CG 이미지를 전자기 메타물질 위에 표시하는 기술은 컴퓨터 지원 외과 등의 분야에서 발전하고 있다. 전차 장갑 등의 분야에서 전자기 메타물질 개발은 이미 2세대, 3세대에 진입하고 있다고 알려져 있지만, 대부분 산업 기밀로 자세한 내용은 알려져 있지 않다.

메타물질은 "단위 소자"라고 불리는 미소 단위가 전자기파 파장에 비해 충분히 작은 거리로 인위적으로 배치되어, 전자기파에 대해 균질한 매질로 작동하도록 구성된 물질이다. 등간격 배치가 필수적인 것은 아니지만, 이는 전기적·자기적 특성에 영향을 준다.

단위 소자로는 인공 유전체, 인공 자성체, 고분자 재료, 포토닉 결정, EBG 등이 있다.

  • 인공 유전체: 금속 와이어를 일정 방향으로 정렬하여 등간격으로 배치한 구조체이다.
  • 인공 자성체: C자형으로 일부를 절단한 금속 링(금속 스플릿 링 공진기)이다.[126]

4. 기타 메타물질

빛은 전장과 자장이 교대로 생성되어 전파되는 전자기파이며, 물질과의 상호작용은 비유전율과 비투자율로 나타낸다. 빛의 굴절률은 두 물리량을 곱한 값의 제곱근이 된다. 자연계에 존재하는 대부분의 물질은 가시광선 파장 부근에서 빛의 전장과는 상호작용하지만, 빛의 자장과는 상호작용하지 않는다. 즉, 자연계 물질의 비투자율 값은 1.0이며, 굴절률은 전장과의 상호작용 크기인 비유전율만으로 결정된다는 것이 광학 세계의 상식이었다. 그러나 빛의 자장 파동과 상호작용하는 인공 물질인 전자기 메타물질이 등장하면서 다양한 굴절률을 갖는 물체를 만들 수 있게 되었다. "메타"는 "초월"이라는 뜻이며, "전자기 메타물질"은 "기존 광학의 상식을 초월한 물질"이라는 의미이다.[123] 이를 실현하기 위해서는 빛의 파장보다 작은 나노 스케일의 코일을 물질 속에 무수히 만드는 것 등이 필요하다. 빛을 이용한 금속의 나노 스케일 3차원 가공 기술이나 더스트 플라즈마의 자기 조직화 성질을 이용한 나노 레벨 미립자 어셈블리 기술로 산란 구조가 생성되는 전자기 메타물질의 등장이 기대된다.[123]

존 펜드리 교수는 2002년에 "굴절률이 음수인 물질이 있다면, 무한히 작은 것을 빛으로 관찰할 수 있다"는 논문을 발표하여 개발 경쟁에 불을 붙였다. 빛의 파장보다 작은 구조의 정보를 가진 빛, 즉 근접장 광을 증폭하면 기존 광학 현미경의 한계를 넘어 빛의 파장 이하 크기의 물체를 볼 수 있다고 한다.

광학이나 단파장 전자기파에서 특징적인 성질을 나타내며, 분해능 및 회절 한계 돌파가 가능하고, 초고분해능 렌즈, 광섬유, 밴드패스 필터, 신종 렌즈·안테나, 투명화 기술(광학 위장) 등에 응용이 기대된다. CG 이미지를 전자기 메타물질 위에 표시하는 기술은 컴퓨터 지원 외과 등의 분야를 중심으로 발전하고 있다. 전자기 메타물질 개발은 전차 장갑 등의 분야에서 이미 2, 3세대에 진입했다고 알려져 있지만, 대부분 산업 기밀의 베일 너머에 있어 자세한 내용은 불명이다.

물이나 기존 유리의 유전율 및 투자율은 양수이다. 그러나 금, 은 등의 금속 중에는 가시광선 영역에서 음의 유전율을 갖는 것이 있다.

굴절률(N)은 유전율(ε)과 투자율(μ)로부터

N=\sqrt{\epsilon}\sqrt{\mu}

로 계산된다. 유전율과 투자율 중 어느 한쪽만 음수이면 굴절률은 허수가 되어 전자기파는 물질에 침투하지 않는다. 유전율과 투자율이 모두 양수이거나 음수이면 굴절률은 실수가 되어 전자기파는 물질 내로 침투한다. 전자의 경우 N>0이 되어 자연계에 존재하는 결정이며, "오른손 법칙 매질"이라고 부른다. 후자의 경우 N<0, 즉 음의 굴절률을 가지며, 투명한 물질은 자연계에 존재하지 않는다고 생각되었지만, 인공적으로 만들어져 이 예측은 뒤집혔다.

이 현상에서는 다음과 같은 흥미로운 현상이 일어난다.


  • 스넬의 법칙은 적용 가능하지만, 굴절은 입사광과 "같은 쪽"에 일어난다.
  • 도플러 효과는 역방향으로 발생한다.
  • 체렌코프 복사는 통상과 다른 장소에서 일어난다.
  • 군속도와 위상 속도가 일치하지 않는다.
  • 고주파는 장파장이 되고, 단파장으로 변화하지 않는다.
  • 포인팅 벡터의 방향이 통상의 물질과 다르다.


현재까지 대상 전자기파의 파장보다 작은 반복 구조를 갖도록 가공한 특정 금속이나 금속 화합물이 시제품으로 만들어졌으며, 마이크로파나 적외선 영역에서 성질을 나타내는 것이 발견되고 있다.

구체적인 구조 예로는 이화학연구소의 금속 미세 주기 구조(나노 금속 공진기 어레이)를 이용한 표면 플라즈몬[124], 도요타 중앙연구소와 야마구치 대학의 테플론 기판 위 구리와 액정 어레이를 배치한 밀리미터파용, 퍼듀 대학교의 이산화 규소 · 금 · 티타늄박막을 라미네이션하여 어레이로 한 적외선용[125] 등이 있다.

이러한 전자기파의 거동은 플레밍의 왼손 법칙을 따르므로, 음의 굴절률을 갖는 물질을 "왼손 법칙 물질"이나 "왼손 법칙 메타물질"이라고 부르기도 한다.

왼손 법칙은 균질 매질 내에서 전장(E), 자장(H), 파수(k)의 방향을 나타내는 좌표계이다. 즉, 종래의 오른손 법칙에서 k는 E×H의 방향과 같다. 반면 왼손 법칙에서는 k의 방향이 E×H의 방향과 반대 방향이 된다.

메타물질은 "단위 소자"라는 미소 단위가 전자기파 파장에 비해 충분히 작은 거리로 인위적으로 등간격 배치되어, 전자기파에 대해 균질한 매질로 거동하도록 구성된 물질이다. 메타물질이기 위해 반드시 등간격으로 배치될 필요는 없지만, 등간격 배치가 전기적·자기적 특성을 좌우한다.

단위 소자로는 인공 유전체나 인공 자성체가 있으며, 그 외에도 고분자 재료, 포토닉 결정, EBG도 단위 소자로 여겨진다.

; 인공 유전체

: 금속 와이어를 일정 방향으로 정렬하여 등간격으로 배치한 구조체이다.

; 인공 자성체

: C자형으로 일부를 절단한 금속 링도 금속 스플릿 링 공진기라고 불리는 인공 자성체이다.[126]

4. 1. 탄성/음향 메타물질

탄성 메타물질은 전자기파가 아닌 물질에서 음의 굴절률을 달성하기 위해 다른 매개변수를 사용한다. "제한된 주파수 범위 내에서 액체 또는 고체처럼 작동할 수 있는 탄성 메타물질의 새로운 설계는 음향, 탄성 및 지진파 제어를 기반으로 하는 새로운 응용 분야를 가능하게 할 수 있다."[60] 또한 기계적 메타물질이라고도 불린다.

음향 메타물질은 음파를 제어하고, 방향을 설정하며 조작하는데, 이는 가스, 액체 및 고체에서 소리, 저주파음 또는 초음파 형태로 나타난다. 전자기파와 마찬가지로 음파는 음의 굴절을 보일 수 있다.[16]

음파의 제어는 주로 체적 탄성률 ''β'', 질량 밀도 ''ρ'' 및 키랄성을 통해 이루어진다. 체적 탄성률과 밀도는 전자기 메타물질의 유전율과 투자율과 유사하다. 이와 관련하여 격자 구조에서 음파의 전파 역학이 있다. 또한 물질은 질량과 고유한 강성을 가지고 있다. 이들은 함께 공진 시스템을 형성하며, 기계적(음향) 공진은 적절한 음파 주파수(예: 가청 펄스)에 의해 유발될 수 있다.

4. 2. 구조적 메타물질

구조적 메타물질은 압착성 및 경량과 같은 특성을 제공한다. 투영 미세 입체 조형을 사용하여, 트러스 및 거더와 매우 유사한 형태로 미세 격자를 만들 수 있다. 기존 에어로젤보다 4자리 수만큼 더 강성이 높지만 동일한 밀도를 가진 물질이 만들어졌다. 이러한 물질은 재료를 과도하게 구속함으로써 자체 중량의 최소 160,000배의 하중을 견딜 수 있다.[61][62]

세라믹 나노트러스 메타물질은 평평하게 만들었다가 원래 상태로 되돌릴 수 있다.[63]

4. 3. 열적 메타물질

일반적으로 자연에서 발견되는 물질은 균질할 경우 열적으로 등방성이다. 즉, 열이 모든 방향으로 거의 동일한 속도로 통과한다. 그러나 열적 메타물질은 일반적으로 고도로 조직화된 내부 구조로 인해 이방성이다. 섬유, 탄소 나노튜브(CNT) 등과 같이 내부 입자 또는 구조가 고도로 정렬된 복합 재료가 이에 해당한다.

4. 4. 비선형 메타물질

메타물질은 입사파의 세기에 따라 특성이 변하는 비선형 매체를 포함하도록 제작될 수 있다. 비선형 매체는 비선형 광학에 필수적이다. 대부분의 광학 재료는 비교적 약한 반응을 보이며, 이는 전자기장의 강도가 크게 변해도 특성이 조금만 변한다는 것을 의미한다. 비선형 메타물질 내 포함물의 국소 전자기장은 전자기장의 평균값보다 훨씬 클 수 있다. 또한, 메타물질의 유효 유전율이 매우 작을 경우(epsilon-near-zero media) 놀라운 비선형 효과가 예측되고 관찰되었다.[64][65][66] 더욱이, 음의 굴절률과 같은 이국적인 특성은 모든 비선형 광학 구조에서 충족되어야 하는 위상 정합 조건을 맞춤화할 기회를 제공한다.

4. 5. 액체 메타물질 (메타 유체)

메타 유체는 점성, 압축성 및 광학적 특성과 같은 프로그래밍 가능한 특성을 제공한다. 한 가지 접근 방식은 엘라스토머로 된 50-500 마이크론 직경의 공기가 채워진 구를 실리콘 오일에 띄우는 것이다. 이 구는 압력을 받으면 압축되고, 압력이 해제되면 형태를 되찾는다. 이러한 특성은 두 상태에서 다르다. 압력을 받지 않은 상태에서는 빛을 산란시켜 불투명하게 된다. 압력을 받는 상태에서는 반달 모양으로 붕괴되어 빛을 모으고 투명해진다. 압력 반응을 통해 센서 또는 동적 유압 유체 역할을 할 수 있다. 옥수수 전분과 마찬가지로 뉴턴 유체 또는 비뉴턴 유체로 작용할 수 있다. 압력 하에서는 비뉴턴 유체가 되어 전단력에 따라 점성이 변한다.[67]

4. 6. 홀 메타물질

2009년, 마크 브리안과 그레이엄 밀턴[68]은 3차원 공간에서 양 또는 음의 홀 계수를 가진 3가지 재료로 구성된 복합 재료의 부호를 원리적으로 반전시킬 수 있음을 수학적으로 증명했다. 이후 2015년 무아메르 카딕 외[69]는 등방성 재료의 단순한 천공만으로도 홀 계수의 부호가 바뀔 수 있음을 보여주었다. 이 이론적 주장은 마침내 크리스티안 켄 외[70]에 의해 실험적으로 증명되었다.

2015년, 크리스티안 켄 외는 단일 재료의 비등방성 천공이 병렬 홀 효과와 같은 더욱 특이한 효과를 낼 수 있음을 증명하였다.[71] 이는 전도성 매질 내에 유도된 전기장이 전류 및 자기장에 더 이상 수직이 아닌, 실제로 자기장과 평행하게 된다는 것을 의미한다.

4. 7. 메타-바이오물질

메타-바이오물질은 생물학적 시스템과 상호작용하도록 의도적으로 제작되었으며, 메타물질 과학과 생물학 분야의 원리를 융합한다. 나노 크기로 설계된 이 물질은 생물학적 과정을 촉진하기 위해 전자기, 음향 또는 열적 특성을 능숙하게 조작한다. 구조와 조성을 세심하게 조절하여, 메타-바이오물질은 의료 영상,[72] 약물 전달,[73] 및 조직 공학[74]과 같은 다양한 생의학 기술을 향상시키는 데 잠재력을 가지고 있다. 이는 재료 과학의 학제 간 관점을 통해 생물학적 시스템을 이해하는 것의 중요성을 강조한다.

5. 주파수 대역별 메타물질

빛은 전장과 자장이 교대로 생성되어 전파되는 전자기파이며, 물질과의 상호작용은 비유전율과 비투자율로 나타낸다. 빛의 굴절률은 두 물리량을 곱한 값의 제곱근이 된다. 자연계에 존재하는 대부분의 물질은 가시광선 파장 부근에서 빛의 전장과는 상호작용하지만 빛의 자장과는 상호작용하지 않는다. 즉, 자연계 물질의 비투자율 값은 1.0이며, 굴절률은 전장과의 상호작용 크기, 비유전율만으로 결정된다는 것이 그동안의 광학 세계의 상식이었다. 그러나 빛의 자장 파동과 상호작용하는 인공 물질인 전자기 메타물질이 등장하면서 다양한 굴절률을 갖는 물체를 만들 수 있게 되었다. "메타"는 "초월한"이라는 뜻이며, "전자기 메타물질"은 "기존 광학의 상식을 초월한 물질"이라는 의미이다.[123]

존 펜드리 교수가 2002년에 "만약 굴절률이 음의 물질이 있다면, 무한히 작은 것을 빛으로 관찰할 수 있다"고 주장하는 논문을 발표한 것을 계기로 개발 경쟁에 불이 붙었다. 광학이나 단파장의 전자기파에서 특징적인 성질을 나타내며, 분해능의 한계나 회절 한계의 돌파가 가능하며, 초고분해능 렌즈, 광섬유, 밴드패스 필터, 신종 렌즈·안테나, 투명화 기술(광학 위장) 등에 응용이 기대되고 있다.

물이나 기존의 유리에서는 유전율 및 투자율은 양수이다. 그러나, 금이나 은 등의 금속 중에는 가시광선 영역에서 음의 유전율을 갖는 것이 있다.

굴절률（N）은 유전율（ε）과 투자율（μ）로부터

N=\sqrt{\epsilon}\sqrt{\mu}

로 계산된다. 유전율과 투자율 중 어느 한쪽만 음수인 경우, 굴절률은 허수가 되어, 전자기파는 물질에 침투하지 않는다. 유전율과 투자율이 모두 양수이거나 음수인 경우, 굴절률은 실수로 되어, 전자기파는 물질 내로 침투한다. 전자의 경우 N>0이 되어, 이것은 자연계에 존재하는 결정이며 "오른손 법칙 매질"이라고 부를 수 있다. 그러나, 후자의 경우 N<0, 즉 음의 굴절률을 가지며, 투명한 물질은 자연계에는 존재하지 않는다고 생각되어 왔지만, 인공적으로 만들어졌기 때문에 이 예측은 뒤집혔다.

이 현상에 대해서는 다음과 같은 흥미로운 현상이 일어난다고 한다.


  • 스넬의 법칙은 적용 가능하지만, 굴절은 입사광과 "같은 쪽"에 일어난다.
  • 도플러 효과는 역방향으로 발생한다.
  • 체렌코프 복사는 통상과 다른 장소에서 일어난다.
  • 군속도와 위상 속도가 일치하지 않는다.
  • 고주파는 장파장이 되고, 단파장으로 변화하지 않는다.
  • 포인팅 벡터의 방향이 통상의 물질과 다르다.


현재까지, 대상이 되는 전자기파의 파장보다 작은 반복 구조를 갖도록 가공한 특정 금속이나 금속 화합물이 시제품으로 만들어졌으며, 마이크로파나 적외선 영역에서 성질을 나타내는 것이 발견되고 있다.

구체적인 구조 예로서는, 이화학연구소에 의한 금속의 미세 주기 구조(나노 금속 공진기 어레이)에 의한 표면 플라즈몬을 이용한 것[124], 도요타 중앙연구소와 야마구치 대학에 의한 테플론 기판 위에 구리와 액정 어레이를 배치한 밀리미터파용, 퍼듀 대학교에 의한 이산화 규소 · 금 · 티타늄박막을 라미네이션하여 어레이로 한 적외선용 등이 있다.[125]

이러한 전자기파의 거동은 플레밍의 왼손 법칙을 따르기 때문에, 음의 굴절률을 갖는 물질을 "왼손 법칙 물질"이나 "왼손 법칙 메타물질"이라고 부르기도 한다.

5. 1. 테라헤르츠 메타물질

테라헤르츠 메타물질은 일반적으로 0.1~10 THz 사이의 테라헤르츠 주파수에서 상호 작용한다. 테라헤르츠파는 적외선 대역의 맨 끝, 즉 마이크로파 대역의 끝 바로 다음에 위치한다. 이는 3mm (EHF 대역)와 0.03mm (원적외선 광의 장파장 가장자리) 사이의 밀리미터 및 서브밀리미터 파장에 해당한다.

5. 2. 광자 메타물질

광자 메타물질은 광학 주파수(중간 적외선)와 상호 작용한다. 서브파장 주기는 광자 밴드갭 구조와 구별된다.[75][76] 빛은 전장과 자장이 교대로 생성되어 전파되는 전자기파이며, 물질과의 상호작용은 비유전율과 비투자율로 나타낸다. 빛의 굴절률은 두 물리량을 곱한 값의 제곱근이 된다. 자연계에 존재하는 대부분의 물질은 가시광선 파장 부근에서 빛의 전장과는 상호작용하지만 빛의 자장과는 상호작용하지 않는다. 즉, 자연계에 존재하는 물질의 비투자율 값은 1.0이며, 굴절률은 전장과의 상호작용 크기, 즉 비유전율만으로 결정된다는 것이 그동안의 광학 세계의 상식이었다. 그러나 빛의 자장 파동과 상호작용하는 인공 물질인 전자기 메타물질이 등장하면서 다양한 굴절률을 갖는 물체를 만들 수 있게 되었다. "메타"는 "초월한"이라는 뜻이며, "전자기 메타물질"은 "기존 광학의 상식을 초월한 물질"이라는 의미이다. 이를 실현하기 위해서는 빛의 파장보다 작은 나노 스케일의 코일을 물질 속에 무수히 만드는 것 등이 필요하다. 빛을 이용하여 금속을 나노 스케일로 3차원 가공하는 기술이나 더스트 플라즈마가 자기 조직화하는 성질을 이용한 나노 레벨의 미립자 어셈블리 기술에 의해 산란 구조가 생성되는 전자기 메타물질의 등장이 기대되고 있다.[123]

존 펜드리 교수가 2002년에 "만약 굴절률이 음의 물질이 있다면, 무한히 작은 것을 빛으로 관찰할 수 있다"고 주장하는 논문을 발표한 것이 계기가 되어 개발 경쟁에 불이 붙었다. 빛의 파장보다 작은 구조의 정보를 가진 빛, 근접장 광을 증폭하면 기존의 광학 현미경의 한계를 넘어 빛의 파장 이하 크기의 물체를 볼 수 있다고 한다.

광학이나 단파장의 전자기파에서 특징적인 성질을 나타내며, 분해능의 한계나 회절 한계의 돌파가 가능하며, 초고분해능 렌즈, 광섬유, 밴드패스 필터, 신종 렌즈·안테나, 투명화 기술(광학 위장) 등에 응용이 기대되고 있다. 또한 CG의 이미지를 전자기 메타물질 위에 표시하는 기술이 컴퓨터 지원 외과 등의 분야를 중심으로 발전하고 있다. 이미 전자기 메타물질의 개발은 전차의 장갑 등의 분야에서 제2세대, 제3세대에 진입하고 있다고 알려져 있지만, 그 대부분은 산업 기밀의 베일 너머에 있어 자세한 내용은 불명이다.

메타물질은 "단위 소자"라고 불리는 미소 단위가 전자기파의 파장에 비해 충분히 작은 거리로 인위적으로 배치되어, 전자기파에 대해 균질한 매질로 거동하도록 구성된 물질이다. 메타물질이기 위해 반드시 등간격으로 배치되어야 하는 것은 아니지만, 이것이 전기적·자기적 특성을 좌우한다.

단위 소자로는 인공 유전체, 인공 자성체, 고분자 재료, 포토닉 결정, EBG 등이 있다.

종류설명
인공 유전체금속 와이어를 일정 방향으로 정렬하여 등간격으로 배치한 구조체이다.
인공 자성체C자형으로 일부를 절단한 금속 링(금속 스플릿 링 공진기)이다.[126]


5. 3. 가변 메타물질

주파수 선택 표면 기반 메타물질은 한 파장대역의 신호를 차단하고 다른 파장대역의 신호를 통과시킨다. 이는 고정 주파수 메타물질의 대안이 되었다. 고정된 주파수 응답의 제한적인 한계 대신, 단일 매질 내에서 주파수를 선택적으로 변경할 수 있게 해준다.[59]

메타-바이오물질은 생물학적 시스템과 상호작용하도록 의도적으로 제작되었으며, 메타물질 과학과 생물학 분야의 원리를 융합한다. 나노 크기로 설계된 이 물질은 생물학적 과정을 촉진하기 위해 전자기, 음향 또는 열적 특성을 능숙하게 조작한다. 구조와 조성을 세심하게 조절하여, 메타-바이오물질은 의료 영상,[72] 약물 전달,[73] 및 조직 공학[74]과 같은 다양한 생의학 기술을 향상시키는 데 잠재력을 가지고 있다. 이는 재료 과학의 학제 간 관점을 통해 생물학적 시스템을 이해하는 것의 중요성을 강조한다.

조절 가능한 메타물질은 굴절률의 주파수 변화에 임의의 조정을 허용한다. 조절 가능한 메타물질은 다양한 유형의 메타물질을 구성하여 좌수성 물질의 대역폭 제한을 넘어 확장된다.

메타물질은 "단위 소자"라고 불리는 미소 단위가 전자기파의 파장에 비해 충분히 작은 거리로 인위적으로 등간격으로 배치되어, 전자기파에 대해 균질한 매질로 거동하도록 구성된 물질이다. 메타물질이기 위해 반드시 등간격으로 배치되어야 하는 것은 아니지만, 이것이 전기적·자기적 특성을 좌우한다.

단위 소자로는 인공 유전체나 인공 자성체가 있으며, 그 외에도 고분자 재료나 포토닉 결정, EBG도 단위 소자로 여겨진다.

  • 인공 유전체
  • 금속 와이어를 일정 방향으로 정렬하여 등간격으로 배치한 구조체가 인공 유전체이다.
  • 인공 자성체
  • C자형으로 일부를 절단한 금속 링도 금속 스플릿 링 공진기라고 불리는 인공 자성체이다.[126]

5. 4. 플라즈몬 메타물질

플라스모닉 메타물질은 금속-유전체와 빛의 상호 작용으로 생성되는 표면 플라즈몬을 활용한다. 특정 조건에서 입사광은 표면 플라즈몬과 결합하여 전자기파 또는 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 알려진 자가 유지, 전파하는 표면파를 생성한다.[77] 벌크 플라즈마 진동은 음의 질량(밀도) 효과를 가능하게 한다.[78][79]

빛은 전장과 자장이 교대로 생성되어 전파되는 전자기파이며, 물질과의 상호작용은 비유전율과 비투자율로 나타내며, 빛의 굴절률은 두 물리량을 곱한 값의 제곱근이 된다. 자연계에 존재하는 대부분의 물질은 가시광선 부근의 파장의 빛의 전장과는 상호작용하지만 빛의 자장과는 상호작용하지 않는다. 즉, 자연계에 존재하는 물질의 비투자율 값은 1.0이며, 굴절률은 전장과의 상호작용 크기, 비유전율만으로 결정된다는 것이 그동안의 광학 세계의 상식이었다. 그러나 빛의 자장 파동과 상호작용하는 인공 물질로서 전자기 메타물질이 등장하면서 다양한 굴절률을 갖는 물체를 만들 수 있게 되었다. "메타"는 "초월한"이라는 뜻이며, "전자기 메타물질"은 "기존 광학의 상식을 초월한 물질"이라는 의미이다. 이를 실현하기 위해서는 빛의 파장보다 작은 나노 스케일의 코일을 물질 속에 무수히 만드는 것 등이 필요하다. 빛을 이용하여 금속을 나노 스케일로 3차원 가공하는 기술이나 더스트 플라즈마가 자기 조직화하는 성질을 이용한 나노 레벨의 미립자 어셈블리 기술에 의해 산란 구조가 생성되는 전자기 메타물질의 등장이 기대되고 있다.[123]

존 펜드리 교수가 2002년에 "만약 굴절률이 음의 물질이 있다면, 무한히 작은 것을 빛으로 관찰할 수 있다"고 주장하는 논문을 발표한 것이 계기가 되어 개발 경쟁에 불이 붙는 경위가 있었다. 빛의 파장보다 작은 구조의 정보를 가진 빛, 근접장 광을 증폭하면 기존의 광학 현미경의 한계를 넘어 빛의 파장 이하 크기의 물체를 볼 수 있다고 한다.

광학이나 단파장의 전자기파에서 특징적인 성질을 나타내며, 분해능의 한계나 회절 한계의 돌파가 가능하며, 초고 분해능 렌즈, 광섬유, 밴드패스 필터, 신종 렌즈·안테나, 투명화 기술(광학 위장) 등에 응용이 기대되고 있다. 또한 CG의 이미지를 전자기 메타물질 위에 표시하는 기술이 컴퓨터 지원 외과 등의 분야를 중심으로 발전하고 있다.

물이나 기존의 유리에서는 유전율 및 투자율은 양수이다. 그러나, 금이나 은 등의 금속 중에는 가시광선 영역에서 음의 유전율을 갖는 것이 있다.

굴절률（N）은 유전율（ε）과 투자율（μ）로부터

N=\sqrt{\epsilon}\sqrt{\mu}

로 계산된다. 유전율과 투자율 중 어느 한쪽만 음수인 경우, 굴절률은 허수가 되어, 전자기파는 물질에 침투하지 않는다. 유전율과 투자율이 모두 양수이거나 음수인 경우, 굴절률은 실수로 되어, 전자기파는 물질 내로 침투한다. 전자의 경우 N>0이 되어, 이것은 자연계에 존재하는 결정이며 "오른손 법칙 매질"이라고 부를 수 있다. 그러나, 후자의 경우 N<0, 즉 음의 굴절률을 가지며, 투명한 물질은 자연계에는 존재하지 않는다고 생각되어 왔지만, 인공적으로 만들어졌기 때문에 이 예측은 뒤집혔다.

이 현상에 대해서는 다음과 같은 흥미로운 현상이 일어난다고 한다.

  • 스넬의 법칙은 적용 가능하지만, 굴절은 입사광과 "같은 쪽"에 일어난다.
  • 도플러 효과는 역방향으로 발생한다.
  • 체렌코프 복사는 통상과 다른 장소에서 일어난다.
  • 군속도와 위상 속도가 일치하지 않는다.
  • 고주파는 장파장이 되고, 단파장으로 변화하지 않는다.
  • 포인팅 벡터의 방향이 통상의 물질과 다르다.


현재까지, 대상이 되는 전자기파의 파장보다 작은 반복 구조를 갖도록 가공한 특정 금속이나 금속 화합물이 시제품으로 만들어졌으며, 마이크로파나 적외선 영역에서 성질을 나타내는 것이 발견되고 있다.

구체적인 구조 예로서는, 이화학연구소에 의한 금속의 미세 주기 구조(나노 금속 공진기 어레이)에 의한 표면 플라즈몬을 이용한 것[124], 도요타 중앙연구소와 야마구치 대학에 의한 테플론 기판 위에 구리와 액정 어레이를 배치한 밀리미터파용, 퍼듀 대학교에 의한 이산화 규소 · 금 · 티타늄박막을 라미네이션하여 어레이로 한 적외선용 등이 있다.[125]

이러한 전자기파의 거동은 플레밍의 왼손 법칙을 따르기 때문에, 음의 굴절률을 갖는 물질을 "왼손 법칙 물질"이나 "왼손 법칙 메타물질"이라고 부르기도 한다.

여기서, 왼손 법칙이라고 말하는 것은, 균질 매질 내에서의 전장（E), 자장（H), 파수（k）의 방향을 나타내는 좌표계이다. 즉, 종래의 오른손 법칙에서, k는 E×H의 방향과 같다. 이에 대해 왼손 법칙에서는, k의 방향은 E×H의 방향과 반대 방향이 된다.

6. 응용 분야

메타물질은 다양한 분야에 적용될 수 있다고 여겨진다.

메타물질로 만든 안테나는 안테나의 복사력을 증대시키며, 특히 음의 투자율을 가지는 메타물질로 작동 주파수를 조절하거나 미세한 크기를 가지는 안테나를 만들 수 있다.[128] 메타 물질 안테나는 상용화되어 있다.

메타물질 흡수체는 전자기파를 효율적으로 흡수하기 위한 메타 물질의 일종이다. 무선 통신, 태양광 발전 및 태양열 발전 등에 이용된다. 좁은 대역과 넓은 대역에서 쓰이는 두 유형으로 분류할 수 있으며, 각자의 대역에서 매우 높은 흡수율과 낮은 반사율을 보이는 것이 특징이다.[86] 이는 광 검출[87][88] 및 태양광 발전 응용 분야에 유용한 기능이다.[89]

초렌즈는 메타물질을 사용하는 2차원 또는 3차원 장치로, 일반적으로 음의 굴절 특성을 사용하여 회절 한계를 넘어선 해상도(이상적으로는 무한 해상도)를 달성한다. 회절 한계는 기존의 광학 장치 또는 렌즈에 내재되어 있다.[90][91]

메타물질은 실용적인 은폐 장치의 잠재적인 기반이 된다. 원리 증명은 2006년 10월 19일에 시연되었다. 실용적인 은폐 장치는 공개적으로 알려진 바가 없다.[92][93][94][95][96][97]

광학이나 단파장의 전자기파에서 특징적인 성질을 나타내며, 분해능의 한계나 회절 한계의 돌파가 가능하며, 초고 분해능 렌즈, 광섬유, 밴드패스 필터, 신종 렌즈·안테나, 투명화 기술(광학 위장) 등에 응용이 기대되고 있다. 또한 CG의 이미지를 전자기 메타물질 위에 표시하는 기술이 컴퓨터 지원 외과 등의 분야를 중심으로 발전하고 있다.

마이크로파 제어 기술 및 파장 한계를 넘어선 분해능을 가진 슈퍼 렌즈 개발과, 이에 따른 반도체 제조 기술의 미세화, 광섬유, 광통신, 광 디스크, 차폐 장치, 광학 위장 등에 응용이 기대되고 있다.

2007년에는 미국 국방고등연구계획국(DARPA)이 메타 물질의 발전형인 "비대칭 물질"(asymmetric material)을 통해 모습 은폐, 실체탄으로부터의 보호, 내부로부터의 공격을 양립시키는 기술을 개발하고 있다는 보도가 있었다.

7. 이론적 모델

모든 물질은 원자로 구성되어 있으며, 원자는 쌍극자이다. 이러한 쌍극자는 빛의 속도를 ''n'' (굴절률)만큼 수정한다. 분할 링 공진기에서 링과 와이어 유닛은 원자 쌍극자 역할을 한다. 와이어는 강유전체 원자 역할을 하며, 링은 인덕터 ''L'', 열린 부분은 캐패시터 ''C'' 역할을 한다. 링 전체는 LC 회로 역할을 한다. 전자기장이 링을 통과하면 유도 전류가 생성된다. 생성된 필드는 빛의 자기장에 수직이다. 자기 공명은 음의 투자율을 유발하며, 굴절률 또한 음수가 된다. (구조의 정전 용량이 전기 유도에 대한 기울기를 부과하기 때문에 렌즈는 실제로 평평하지 않다.)[3]

여러 (수학적) 물질 모델은 DNG에서 주파수 응답을 보인다. 이 중 하나는 구동-감쇠, 조화 진동자의 관점에서 전자 운동을 설명하는 로렌츠 모델이다. 드바이어 이완 모델은 로렌츠 수학적 모델의 가속도 성분이 방정식의 다른 성분에 비해 작을 때 적용된다. 드루데 모델은 복원력 성분이 무시할 수 있고 결합 계수가 일반적으로 플라즈마 주파수일 때 적용된다. 다른 구성 요소의 차별화는 극성 또는 목적에 따라 이러한 모델 중 하나를 사용해야 한다.[3]

낮은 유전율 매트릭스에 주기적/무작위로 임베디드된 금속/비금속 포함물의 3차원 복합체는 일반적으로 혼합 공식 및 산란 행렬 기반 방법을 포함한 분석적 방법에 의해 모델링된다. 입자는 전기장에 평행한 전기 쌍극자 또는 적용된 파의 각각 전기장 및 자기장에 평행한 교차된 전기 및 자기 쌍극자 쌍으로 모델링된다. 이러한 쌍극자는 다중극 시리즈의 주요 항이다. 이는 Mie 산란 계수에서 쉽게 얻을 수 있는 편광성을 가진 균질한 구에 대해 유일하게 존재하는 것들이다. 일반적으로 이 절차는 "점-쌍극자 근사"로 알려져 있으며, 전기적으로 작은 구의 복합체로 구성된 메타 물질에 대한 좋은 근사이다. 이러한 방법의 장점으로는 낮은 계산 비용과 수학적 단순성이 있다.[116][117]

음의 굴절률 매체, 비반사 결정 및 초렌즈의 세 가지 개념은 메타물질 이론의 기초이다. 삼중 주기적 전자기 매체를 분석하기 위한 다른 제 1 원리 기술은 광자 밴드 구조 계산에서 찾을 수 있다.

8. 연구 기관 및 동향

미 해군 연구국과 방위고등연구계획국의 후원을 받는 다학제적 대학 연구 계획(MURI)은 여러 대학과 정부 기관을 포함한다.[118] 참여 대학에는 캘리포니아 대학교 버클리, 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스, 캘리포니아 대학교 샌디에고, 매사추세츠 공과대학교, 런던의 임페리얼 칼리지 런던 등이 있다.[118]

MURI는 과학 및 공학 분야 간의 협력을 통해 연구와 응용을 가속화한다. 2009년에는 69개 학술 기관이 41개 연구에 참여할 것으로 예상되었다.[119]

존 펜드리 교수가 2002년 음의 굴절률을 가진 물질이 있다면 무한히 작은 것도 빛으로 관찰할 수 있다는 논문을 발표한 후, 메타 물질 개발 경쟁이 가속화되었다. 근접장 광을 증폭하면 기존 광학 현미경의 한계를 넘어 빛의 파장 이하 크기의 물체를 볼 수 있다고 한다.

광학 및 단파장 전자기파에서 특징적인 성질을 이용하여 분해능 및 회절 한계를 극복하고, 초고 분해능 렌즈, 광섬유, 밴드패스 필터, 신종 렌즈·안테나, 투명화 기술(광학 위장) 등에 응용이 기대된다. 컴퓨터 지원 외과 등의 분야에서는 CG 이미지를 메타물질 위에 표시하는 기술이 발전하고 있다. 전차 장갑 등의 분야에서 메타물질 개발은 이미 2, 3세대에 진입했지만, 대부분 산업 기밀로 자세한 내용은 알려져 있지 않다.

1968년 러시아의 물리학자 빅토르 베셀라고가 이론을 확립했으며, 2000년경 미국 캘리포니아 대학교의 데이비드 R. 스미스가 인공 유전체와 인공 자성체의 단위 소자를 조합한 "왼손성" 메타물질을 처음으로 구성하여 주목받았다. 2008년 현재 많은 연구자들이 연구 개발에 참여하고 있다.[122]

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