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해리포터 투명망토의 비밀 메타물질, 레이다와 결합하다

국방홍보원-국방과학연구소 공동기획 <3> 세상에 없는 메타물질, 레이다와 결합하다

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국방과학연구소(ADD)가 세상에 없는 물질인 메타물질을 레이더와 결합하는 ‘메타안테나’ 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 

ADD는 "메타물질 관련 기초 연구를 수년간 수행해오다가 지난 2019년부터 미래도전국방기술 과제에 메타물질 기술을 반영해 본격적으로 개발하고 있다"고 밝혔다.

메타물질 또는 메타표면은 자연계에 존재하지 않지만 인위적으로 만들어낼 수 있는 물질이다. 즉, 자연계에 존재하는 물질에서는 일어나지 않는 현상을 인위적으로 만들어 내는 것이다. 가장 대표적인 예가 SF(공상과학)영화 ‘해리포터’ 시리즈에 나오는 ‘투명망토’다.

투명망토는 빛이 특정 물체를 돌아서 진행하도록 하는 원리로 구현된다. 아래 그림과 같이 물체를 통과한 빛이 물체가 없는 상태와 동일하게 보이도록 특별한 물질을 수학적으로 만들어 낼 수 있는데, 이러한 물질이 바로 메타물질이다.

메타물질은 물체를 통과한 빛이 물체가 없는 상태와 동일하게 보이도록 한다.

출처Science, vol. 312, 23, 2006.

메타물질은 물질을 넘어섰다는 의미로 자연계에 없는 성질을 가진 인공적인 물질을 말한다. 소재는 평범하지만, 굴절률이 마이너스가 돼 비춰진 빛이 다시 되돌아 나온다. 메타물질로 만든 투명망토 안에 물체를 넣으면 빛이 물체에 반사되거나 흡수되지 않고 뒤로 돌아가 우리 눈에 보이지 않게 된다.

메타물질은 아래 그림과 같이 빛의 영역인 가시광선 및 적외선 영역은 물론 전자파 영역에서도 구현할 수 있다. 전자파와는 다른 물리적 현상인 소리 또는 음파를 이용한 구조에서도 메타물질의 구현이 가능하다는 것을 많은 연구자가 증명하고 있다. 적외선은 최근 코로나19바이러스에 감염된 사람의 체온을 측정하기 위해 사용하는 적외선 카메라의 동작 영역인데, 이 파장대역에서도 메타물질에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 특히 적외선 추적장치를 사용하는 상당수의 유도무기에 대항하기 위한 기술로 응용될 수 있어 군사적으로도 매우 유용한 기술이라고 할 수 있다.

메타물질은 빛의 영역인 가시광선 및 적외선 영역은 물론 전자파 영역에서도 구현할 수 있다

출처Adv. Func. Materials, 2019

이동통신에 사용하는 주파수 영역에서의 전자파 메타물질에 대한 연구도 활발하다. 초소형·광대역 안테나 또는 전자파 흡수 표면을 만들거나 인접한 시스템 간의 간섭을 최소화하는데 이용하는 등 응용분야가 다양하다. 

기존 자연계에 존재하는 물질로는 구현할 수 없었던 특성을 메타물질을 이용해 구현할 수 있기 때문에 우리가 직관으로 예측할 수 없는 현상들을 만들어 낼 수 있다는 점이 두드러진다. 최근 스타트업 ‘키메타(Kymeta)’는 아래 그림과 같이 메타물질을 사용한 위성통신용 송수신 안테나 시스템을 개발해 메타물질을 이용한 최초의 상용화 제품을 출시했다. 

스타트업 ‘키메타(Kymeta)’의 메타물질을 사용한 위성통신용 송수신 안테나 시스템 프로토타입.

메타물질은 소형으로도 만들 수 있고 평면 또는 곡면으로도 구현할 수 있기 때문에 아래 그림처럼 항공기 표면에 부착해 기존 3차원 안테나의 구조물을 대체할 수 있다. 특히 능동소자와 결합한 메타물질의 경우 그 특성을 전자적으로 조절할 수 있기 때문에 그 활용성이 매우 넓다고 할 수 있다.

메타물질은 항공기 표면에 부착해 기존 3차원 안테나의 구조물을 대체할 수 있다.

출처Ma et al. Light: Science & Applications (2019) 8:98.

이러한 메타물질 기술이 국방 분야에 적용될 수 있을까. 선진국들은 이미 자국 무기 시스템의 생존성과 경쟁력을 높이기 위해 메타물질을 다양한 분야에 적용하고 있다. 

우리나라의 경우 국방과학연구소가 ‘메타안테나’ 기술을 본격적으로 개발하고 있다. 

국방과학연구소는 "광대역, 초소형, 다기능 수행이 가능한 메타물질을 개발해 기존 레이다와 결합하게 되면 레이다 성능을 끌어올리고, 레이다를 장착한 함정이나 항공기 같은 무기체계의 생존성을 높일 수 있을 것으로 보인다"고 밝혔다. 

안승회 기자 

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