모든 파장대의 빛에 의한 반사를 차단하는 완전 무반사(anti-reflection) 현상에 대한 기본원리가 국내 연구진에 의해 밝혀짐에 따라 더 얇은 완전 무반사막을 만들 수 있게 됐다.

태양전지, 발광다이오드와 같은 광학기기는 물론 스텔스 같은 군사용 첨단기기의 성능을 높이는데 기여할 것으로 보인다. 

무반사막은 빛이 굴절률이 서로 다른 두 매질 사이를 통과하면서 급격한 굴절률 변화로 인해 발생하는 반사를 제거하기 위해 두 매질 사이에서 완충역할을 하는 얇은 코팅 막이다.

스텔스(stealth)기술은 물체로부터 반사되는 빛을 차단하여 레이더와 적외선 탐지기 등에 물체가 감지되지 않도록 하는 군사적 은폐기술이다. 

고려대학교 박규환 교수가 주도하고 김경호 박사과정생(제1저자)이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구) 및 나노·소재기술개발사업(국가그린나노기술개발사업)의 지원으로 수행되었고, 네이처가 발행하는 학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 최신호(1월 14일자)에 게재되었다. 

빛이 서로 다른 두 매질을 지나면서 나타나는 굴절률 변화에 의해 반사가 발생하는 데 무반사막은 두 매질 사이에 완충재로 자리하여 굴절률을 서서히 증가시키는 방식으로 이를 차단한다. 

기존 작은 돌기가 촘촘히 돋아난 나방눈(moth-eye)을 모방하여 만든 다중층 무반사막의 경우 모든 파장의 빛을 차단하지 못하고 무반사막이 일정 이하로 얇아지면 반사를 차단하지 못해 무반사막이 두꺼워지는 단점이 있었다.  

다중층 무반사막은 서로 다른 굴절률을 갖는 얇은 막을 여러겹 적층하여 굴절률을 연속적으로 서서히 증가시켜 반사를 차단하는 무반사막이다. 

이를 개선하기 위해 많은 연구가 있었으나 무반사 원리에 대한 근본적인 이론이 정립되지 않은 상태에서 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 반사차단 효과가 있는 굴절률 변화 스펙트럼을 찾아나가는 방식이었다.

연구팀은 굴절률이 다른 두 물질 속을 진행하는 빛의 전파원리를 규명하는 이론을 완성하고 이를 이용하여 모든 파장의 빛에 대해 반사를 차단할 수 있는 굴절률 변화 스펙트럼 조건을 찾아냈다.

 연구팀은 무반사막 내에서의 빛의 진행을 맥스웰 방정식으로 기술하고 이를 토대로 모든 파장의 빛에 대한 완벽한 임피던스 정합을 이루는 최적의 굴절률 변화 스펙트럼을 얻어냈다.

이 스펙트럼에 맞게 굴절률이 서로 다른 얇은 막을 층층이 쌓아 올림으로써 최적의 다중층 무반사막을 제작할 수 있게 된 것이다. 나아가 전자기파 시뮬레이션(FDTD 프로그램)과 마이크로파 실험을 통해 이를 검증해냈다.

 임피던스 정합은 굴절률이 서로 다른 두 매질 사이의 임피던스(전기장 크기와 자기장 크기의 비율, 매질의 종류에 따라 다름) 차이에 의해 발생하는 반사를 제거하기 위하여 무반사막을 코팅하여 두 매질 사이의 임피던스 격차를 해소한 상태이다. 

또한 연구팀은 무반사막의 두께 한계도 극복했다. 기존 무반사막 기술로는 1/4 파장 이하로 얇게 만들 수 없었으나 연구팀은 자체제작한 메타물질을 활용하여 1/25 파장의 두께로 6배 가량 얇게 만들어 냈다. 

메타물질은 매우 작은 크기의 금속이나 유전체가 주기적으로 배열된 물질로 자연계에 존재하지 않는 전자기학적 및 광학적 물성을 인위적으로 지니도록 만들어낸 차세대 물질로 정보통신기기, 전자제품 등의 초소형화, 고성능화 등에 활용될 수 있다.

박 교수는 “이번에 개발한 비균질 반사 방지막은 태양전지, 발광다이오드와 같은 광학기기와 스텔스와 같은 군사용 은폐기술 등에 다양하게 적용할 수 있다”며 “향후 광학기기 성능 향상 및 국방기술 개발에도 크게 기여할 것으로 기대한다“고 연구의의를 밝혔다.

<기사출처 | 교육과학기술부 보도자료>