질서(빨간 점, 보아뱀의 꼬리)와 완전한 무질서(파란 점, 보아뱀의 머리)는 물리적/통계적으로 엄밀하게 정의된 매질 상태이다. 그 중간 영역(보아뱀의 배 안)에는 수많은 자유도를 가진, 회색 영역(코끼리)이 존재한다. 무질서 광학의 목표는 이 중간 영역을 분류하고 그중에서 기능적으로 ‘똑똑한’(코끼리의 머리) 매질을 찾아내 여러 공학적 기능을 구현하는 것이다. 이를 위해 전자기학/양자역학 등 물리적 개념과 네트워크 이론, 머신러닝 등의 기법이 적극 활용되고 있다

광학 및 재료 과학 연구의 새 분야를 열고 미래 소재 산업의 핵심 원천 기술로서 가치를 갖는 연구 결과를 서울대 공대 박남규 교수팀이 증명했다.

서울대학교 공과대학은 전기정보공학부 박남규 교수, 유선규 교수 연구팀이 파동 역학에서의 ‘설계된 무질서’ 개념을 정립하고 이를 통해 다양한 광학 현상 및 소자들의 동작 원리를 규명하는 데 성공했다고 17일 밝혔다. 이는 인위적으로 설계된 무질서가 빛의 여러 특징들을 독립적으로 제어할 수 있음을 증명한 연구다.

이 연구는 물리학, 재료과학, 화학 분야를 통틀어 가장 저명한 학술지인 ‘네이처 리뷰 머터리얼즈(Nature Reviews Materials, IF=71.189)’의 초청으로 박남규 교수, 유선규 교수가 세계적으로 경쟁력 있는 연구진과 협력해 이룬 결과다. 이 내용은 12월 9일 자에 초청 리뷰 논문으로 게재됐다.

원자가 어떻게 배열되어 있는가는 그 매질의 여러 가지 특성을 결정짓는 중요한 요소다. 예를 들어 주기적으로 배열된 질서 있는 매질은 ‘결정’(Crystal) 구조라 불리며 그 결정 구조에 따라 도체, 반도체 및 부도체를 분류하는 기준이 되거나 모든 방향의 빛을 반사하는 거울로 동작하는 등 독특한 특성을 갖는다.

반면 그 대척점에 서 있는 완전히 무질서한 매질은 빛을 특정 영역에 모으거나, 나비 날개처럼 시야각이 매우 넓은 아름다운 색상을 보여주는 등 결정 구조와는 명확하게 분간이 되는 특성을 갖는다. 완전한 질서와 완전한 무질서에 대한 연구는 각각 1915년 및 1977년 노벨 물리학상이 수여되었을 정도로 중요한 연구 주제이다.

한편 완전한 질서와 완전한 무질서 사이에는 무한히 많은 자유도를 갖는 ‘중간 영역’이 존재한다. 이러한 중간 영역은 완전한 질서와 완전한 무질서 사이의 단순히 중간적 특성을 가지지 않으며, 그들의 특정한 파동 특성들만 선별적으로 가질 수 있는 등 어떤 매질이 가질 수 있는 특성의 자유도를 풍부하게 해 미래 소재 개발의 밑바탕이 되고 있다. 중간 영역의 중요성은 이미 네트워크 과학에서 입증이 되어 왔는데 예를 들어 소셜 네트워크나 두뇌의 구조적 특성은 완전히 질서 정연하지도 않고 완전히 무질서하지도 않은, 진화적으로 제어된 무질서 특성을 가지고 있다.

완전한 질서와 완전한 무질서 사이 중간 영역의 활용은 최근 물리학 및 재료과학의 주요 연구 주제이다. 특히 빛의 여러 가지 물리적 특성을 동시에 제어하기 위해 해당 영역 핵심 원리에 대한 탐색이 전 세계적으로 활발하게 이뤄지고 있으며 특히 공학적 설계 기법을 도입해 특정한 무질서 상태를 ‘설계’하고자 하는 노력이 지속되고 있다. 그러나 중간 영역 무질서 상태는 엄밀한 정의 및 계량화가 어렵고, 수많은 자유도로 인해 설계 기법이 직관적이지 않아 활용하기 어려운 영역으로 여겨졌다.

이 리뷰 논문은 서울대학교 연구진(박남규 교수: 교신저자, 유선규 교수: 제1저자)을 중심으로 재료 과학계의 세계적 석학인 미국 프린스턴 대학의 살바토레 토르퀘아토(Salvatore Torquato: 공동 교신저자) 교수와 경쟁력 있는 연구 그룹인 싱가포르 국립대의 추 챙웨이 교수(Cheng-Wei Qiu) 교수 및 싱가포르 난양기술대학의 종 이동(Yidong Chong) 교수가 협력해 출간했다.

서울대 연구진은 그동안 메타 물질을 이용한 파동의 독립 제어 및 무질서 광학 관련 연구를 활발히 수행해왔고, 무질서 광학 분야에서의 세계적인 연구 거점으로 떠오르고 있다.

리뷰 논문의 주제 및 방향을 주도한 박남규 교수는 “이 리뷰 논문은 국내 연구진이 교신저자 및 제1저자로서 주도해 파동 역학 및 광학 연구에서 떠오르는 분야의 핵심원리를 규명하고 그 응용 가능성을 탐색했다는 점에서 큰 의미가 있다. 이러한 성과는 국내 광학 연구가 전 세계적으로 인정받고 있다는 점을 의미한다. 특히 무질서에 대한 이해는 본 연구진의 최근 다른 연구 성과에서도 확인할 수 있듯이, 인공지능을 활용한 광학 및 재료 과학 연구의 새로운 분야를 열 수 있다는 점에서 미래 소재 산업 핵심 원천 기술로서의 가치를 갖는다”고 의의와 후속 연구방향을 밝혔다.

논문의 제1저자인 유선규 교수는 “무질서는 운동량, 에너지, 분극 등 매우 다양하면서도 동시에 다루기 힘든 빛의 특성들을 독립적으로 제어할 수 있는 플랫폼이다. 최근 전 세계적으로 활발히 연구가 진행되고 있으며, 다학제적 관점의 도입을 통해 매질 설계에서의 새로운 가능성을 열 수 있을 것”이라고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프런티어사업(GFP, 파동에너지 극한제어 연구단)과 교육부 대통령Post-Doc.펠로우십 과제(PPD) 사업의 지원으로 수행되었다.

·용어해설

1. 네이처 리뷰 머터리얼즈(Nature Reviews Materials) 誌
물리학, 재료과학 및 화학 분야 전반을 아우르는 세계적인 국제학술지로서 초청받은 리뷰논문만을 게재함(Impact Factor : 71.189)

2. 메타물질(Metamaterial)
인위적 매질의 배열 구조를 통해 자연계에 존재하지 않은 특성을 가지도록 설계된 물질이다. 투명망토 등에 응용된다.

김대성  keilbo@keilbo.com

<저작권자 © 한국교육일보, 무단 전재 및 재배포 금지>