Part 1에서 투명 망토가 되는 조건들에서 이야기를 했다. Part 2에는 투명망토기술에 대해서 본격적으로 이야기해보자
Part 1
1. 투명이 되는 조건
2. 투명망토의 원리
3. 빛의 굴절
4. 음의 굴절률
Part 2
4. 메타 물질
5. 카펫 망토
6. 투명망토 사진들의 원리
4. 메타물질 (Metamaterial)
메타라는 말을 요즘 많이 들어봤을것 같다. 메타 물질(Metamaterial)은 간단하게 자연에서 만들수 없는 특성 즉 굴절률을 자연계의 물질로 설계된다. 메타물질은 플라스틱이나 금속 같은 일반물질로 형성된 복합 요소 집합체로 파장보다 작은 규모의 반폭패턴으로 설계된다는 것이다.
메타물질의 특성은 기본 물질의 특성이 아니라 그들의 구조에 의해 생기는 것이다.메타물질이 정확한 모양, 기하학적 구조, 크기, 방향성이 그 특성을 결절하게 된다. 특정한 모양으로 설계된 메타물질은 전자기파 혹은 소리에 물체가 관측되지 않게 간섭현상을 만들어 낸다.
이러한 특성에 대한 연구는 19세기 말에 시작되었다. 메타물질은 1898년 Jagadish Chandra Bose는 카이랄성 물질의 연구가 시작이었다. Karl Ferdinand Lindman은 20세기 초 인공 카이랄 미디어로서의 금속성의 나선으로 파동 간섭실험을 했다.
1940년대 후반 AT&T 벨 연구소의 Winston E. Kock는 메타물질과 유사한 성질을 가진 물질을 개발했다. 1950년과 60년대에 인공 유전체로 경량 마이크로파 안테나를 만들기 위해 연구되었다. 마이크로파 레이다 흡수기는 1980년과 1990년대에 인공 카이랄 미디어에의 적용을 위해 연구되었다.
이러한 메타 물질은 특정 파장에 대해 음의 굴절률(Negative-index refraction)을 나타내며, 음의 굴절률은 1967년 Victor Veselago에 의해 이론적으로 처음 기술되었다. 이러한 물질이 빛의 위상속도가 포인팅 벡터 방향과 역평행이 될 수 있음을 보여 주면서 빛이 투과 할수 있음을 증명하였다. 이것은 자연적으로 발생하는 물질의 파동 전파와는 반대의 현상을 갖고 있어야 한다.
일반적으로 양의 굴절률 가진 렌즈를 지날때 빛은 볼록 렌즈를 지나면 모이게 되고 오목렌즈를 지나면 바깥으로 퍼지게 된다. 그러나 아래 그림처럼 음의 굴절률을 가진 렌즈를 지나면 빛의 진행특성은 일반적인 방향과 반대방향인 볼록렌즈에서 바깥으로 퍼지고, 오목렌즈에서 빛이 모이게 된다.
개념에서 현실적으로 가능함을 구체적으로 언급한 것은 1996년에 영국의 임페리얼 칼리지의 존 펜드리(John Pendry) 교수는 파동 전파 방향을 따라 축이 배치된 분할링이 음의 유전율을 나타낸다는것을 입증하였고, 오른손 법칙을 따르지 않고 전자기파가 위상속도에 반대되는 에너지를 전달할수 있는 왼손형 메타물질을 처음으로 확인했다. 1999년에는 빛의 진행방향과 같은방향으로 하는 축을 갖는 C 모양의 분리된 링 구조로 금속선과 링 구조의 주기적인 배열이 결국 음의 굴절률을 갖게하면 스위스롤(Swiss roll) 처럼 돌돌말린 공진구조를 제안하였다.
2000년에 미국 듀크 대학의 데이비드 스미스 교수팀(David R. Smith)은 분할링 공진기(SRR) 와 얇은 와이어 구조를 주기적으로 수평으로 쌓아서 작동하는 전자기 메타 물질의 실험적 시연을 발표하였다.
2003년에 음의 굴절률과 메타물질을 사용한 평면렌즈가 발표되면서 2007년까지 음의 굴절률에 대해서 많은 연구가 진행되었다. 2006년에 마이크로 주파수에서 최초의 불안전한 투명 망토 연구를 발표하였다.
단일분할링 공진기 (SRR)을 10개의 동심원 세트를 1cm 두께로 구성하였다.
메타물질의 망토는 망토가 없을때와 일반적인 metal disk 가 삽입된 원통이 있을때는 평면파가 원통에 부딪혔을때 파면은 산란으로 왜곡되어 앞앞에서 결국 앞에서는 그림자만 식별이 가능하다는 의미 이다. 그러나 Metamaterial Cloak 가 있을때 시뮬레이션과 실혐을 비교하면 실험은 시뮬레이션과 거의 일치한다는 것과 metalmaterial cloak가 원통을 둘러싼 반사와 그림자가 줄어들고, 파면이 거의 복원된다는것을 나타낸다. 이것은 metamaterial clock 광학매체를 설계, 제작이 가능하다는 가능성을 보여주었다.
그러나 이 실험은 레이저 파장과 같은 제한된 주파수 대역폭에서만 작동하고, 한가지 파장에 대해서만 가능한 설계조건으로 가시광선 대역의 모든 색상에서는 불가능하다는 의미의 결과도 있었다.
결국, 가시광선 전영역(380nm~780nm)에 대해 음의 굴절률을 유도할수 있는 메타물질의 기술은 현재로는 불가능할수 있다.
5. 카펫 망토
투명 망토는 생각보다 구현하기 어렵고 한계를 인지한 과학자들은 조금 더 현실적인 것으로 접근하기 시작햇다.
2011년 버클리 대학에서 카펫 망토(Carpet cloak)를 발표했다. 물체가 있을때는 빛은 물체의 반사 특성을 가지나 카펫 망토를 물체가 없을때와 같은 반사 특성을 만들어서 물체가 없는 것처럼 만들수 있는 원리이다.
현재는 가시광선(380nm~780nm)이 아닌 근적외선(1400nm~1800nm) 사이의 빛에서 가능하지만 가시광선 영역도 가능할것으로 보고 있다.
아래에서 C1은 그래디언트 인덱스 클로크이고 C2는 균일한 인덱스 배경으로 클로크는 Si 슬래브가 2D 도파관 역할을 하는 SOI 웨이퍼에서 제작되었다.. 클로크된 영역(녹색으로 표시)은 반사 범프(카펫) 아래에 있으며 임의의 물체를 숨길 수 있다. 클로크는 범프의 모양을 다시 거의 평평한 물체로 변환할수 있다는 것이다.
6. 투명망토 사진들의 진실
그럼 인터넷에 돌아 다니는 투명 망토 사진들은 어떻게 된것일까?
도쿄 대학의 다치 스스무 박사 : Retro-reflective Projection Technology (RPT) 기술
투명망토를 구현하고 싶은 사람들의 연구 의지로 유사 기술들이 등장하게 되었다.
도쿄 대학의 다치 스스무 박사는 '증강 현실 기법(augmented reality method)'을 이용한 투명망토를 선보였다. 망토 뒤의 영상을 프로젝트로 망토에 비춰줌으로써 망토에 뒤에있는 풍경이 그대로 보이게 하는 기술이다. 사실 망토는 스크린 역할을 하는것이지 특별한 기능이 있는것은 아니다. 해리포터의 투명 망토와 현상이 가능하다는 장점이 있다.
영화 미션임파서블 :고스트 프로토콜 에서 동일한 기술로 경비원에게 아무도 없는 복도를 스크린으로 틀어주고, 그 스크린 안쪽에서 영화 속 이단 헌트(톰 크루즈)가 공작을 진행한 장면이다.
인비저블 쉴드 : 렌티큐러 광학 시트
영국의 스타트업 인비저블 쉴드는 아래와 같은 투명 방패를 개발하였다. 정말 뒤에 사람이 없는것 처럼 보인다.
그런데 원리를 보면 광학시트에 렌즈모양을 형성하여 사물에서 반사되는 빛이 관찰자의 시야를 비켜나가도록 설계하고 주변은 관찰자의 시야에 들어 오도록 설계함으로써 관찰자는 주변의 물체만 볼수 있고 뒤에 있는 사람은 볼수가 없는 원리이다. 예전에 3D 디스플레이에서 양안 시차를 주기위해 주로 사용한 원리이다.
이러한 원리는 관찰자와 뒤에 사람이 지정된 특정한 위치를 기준으로 렌즈를 설계하기 때문에 다른 위치에 있으면 보일수 있는 가능성이 있고, 주변환경이 수평적인 환경에서만 유리하다. 즉 해변의 수평선이나 주변환경이 수평선이 있는 조건에서만 가능하다는 단점이 있다.
HyperStealth Biotechnology : Quantum Stealth
캐나다 군사업체 HyperStealth Biotechnology라는 회사는 착용자 주변의 광파를 구부려 착용자를 보이지 않게 만드는 양자스텔스(Quantum Stealth) 위장 소재를 개발했다고 했다고 CNN 등에 아래 영상을 소개하였다. 하지만 아래 영상은 개념을 보여주기 위해 만든 영상으로 실제 영상은 아니다라고도 알렸다.
하지말 실제는 HyperStealth Biotechnology 홈페이지를 보면 아래와 같이 이상적인 양자 스텔스가 되기에는 시간이 많이 필요할것 같다. 아마도 위의 인비저블 쉴드의 렌티큐러 광학 시트와 유사한 원리로 추정된다.
노티엄 대학교
2019년 영국 노팀엄 트렌트 대학 웹사이트에 진짜 투명 망토를 개발했다는 기사를 게재했다.아이얀(i-Yarn)’으로 불리는 이 기술은 원단에 내장된 250개의 미세 제어기가 카메라처럼 작동하여 착용자 주변의 빛 스펙트럼을 감지한다.
감지된 빛 스펙트럼이 원단 안에 있는 다른 3,000개의 미세 광학 장치를 통해 전달되어 반대편에서 찍힌 이미지를 보여주는 원리라고 설명했다. 제작법과 투명 망토를 입은 시연 영상이 상용화에 대한 기대와 신뢰를 높였다.
그러나 아쉽게도 만우절을 위한 장난으로 밝혀졌다.
마지막으로 메타물질(metamaterial)은 메타표면(metasurface)등과 같은 기술과 조합하여 스텔스나 초박막렌즈, 3D imaging, AR /VR, 홀로그램 등 많은 부분에서 활발히 연구되고 있다.
Part 1
1. 투명이 되는 조건
2. 투명망토의 원리
3. 빛의 굴절
4. 음의 굴절률
Part 2
4. 메타 물질
5. 카펫 망토
6. 투명망토 사진들의 원리
References
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2. Shelby, R. A.; Smith D.R.; Shultz S.; Nemat-Nasser S.C. (2001). "Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial" . Applied Physics Letters. 78 (4): 489.
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