메타소재란 무엇인가요? 어떤 유형과 애플리케이션이 있나요?
1. 메타소재란 무엇인가요?
메타물질에 대한 최초의 연구는 음의 굴절률 메타물질에 관한 것이었습니다. 음의 유전율과 음의 투자율을 모두 가진 물질이라는 개념은 1968년 소련의 과학자 베셀라고에 의해 처음 소개되었으며, 이러한 물질로 음의 굴절과 역 도플러 효과를 얻을 수 있을 것으로 예측되었습니다. 유전 상수와 투자율이 모두 음수일 때 전기장 E, 자기장 H, 파동 벡터 k 사이의 관계는 더 이상 오른쪽 나선형 규칙을 따르지 않고 왼쪽 규칙을 따르기 때문에 이러한 물질을 '왼쪽 물질'이라고도 하는데, 이러한 특성은 자연 물질에는 존재하지 않습니다. 1996년과 1999년에 이르러서야 메타물질이라는 개념이 도입되었는데, 영국의 과학자 Pendry 등이 금속 박선 구조와 개방형 공진 링(SRR) 구조의 주기적 배열을 설계하고 각각 음의 등가 유전율과 음의 투자율을 얻을 수 있음을 입증했습니다.
(A) 스플릿 링 공진기(SRR)의 개략도 및 (B) 재료에 음의 자기 투과성을 부여하는 스플릿 링 공진기의 정사각형 배열로 형성된 음의 굴절률을 설명하는 데 사용되는 메타물질 격자의 개략도입니다.
"메타물질"이라는 용어는 원래 로드거 월서(Rodger M. Walser) 교수가 자연적으로 존재하지 않는 인공적으로 제조된 주기적 구조를 가진 3차원 복합체를 설명하기 위해 만든 용어입니다. 메타물질은 천연 물질에서 찾아볼 수 없는 특별한 물리적 특성을 가진 인공 물질입니다. 메타물질은 미크론/나노미터 규모의 패턴 또는 구조를 중심으로 설계되어 자연에 존재하지 않는 방식으로 빛이나 다른 형태의 에너지와 상호 작용할 수 있습니다.
메타물질은 광학 응용 분야에서 반복되는 단일 구조가 나노미터 단위로 측정되기 때문에 종종 나노기술과 연관됩니다. 메타물질의 생성은 나노기술을 통해서만 가능할 수 있습니다. 향후 수십 년 동안 나노 기술이 발전함에 따라 더 많은 새로운 메타물질이 개발되고 제조 비용이 절감될 것입니다.
2, 메타물질의 특성
(i) 메타물질은 자연적으로 발생하는 물질이 아닌 인위적으로 설계 및 제조된 물질입니다;
(ii) 메타소재는 단일 또는 순수 소재가 아닌 복합 또는 하이브리드 소재입니다;
(iii) 메타물질은 음의 굴절률, 음의 자기 투과성, 음의 유전율, 역 도플러 효과와 같이 모든 천연 물질이 아닌 초정상적인 물리적 특성을 나타냅니다;
(iv) 메타물질은 물질의 기본 단위 구조, 모양, 방향 및 배열의 물리적 특성을 변경하여 빛, 전자기파 및 음파를 효과적으로 조작할 수 있도록 만들 수 있습니다;
3. 메타소재의 종류
- 전자기 메타물질
- 음향 메타물질
- 기계적 메타물질
- 열 메타물질
4, 메타머티리얼 적용 시나리오
- 슈퍼렌즈
하이퍼렌즈는 빛을 초표면에 집중시키는 광학 소자로 구성된 2차원 평면 렌즈 구조입니다. 2019년 10대 신기술 중 하나로 선정되기도 했습니다. 굴절률이 양수인 경우, 기존 렌즈는 파장의 감쇄 속도가 기하급수적으로 빨라져 사각 파장보다 작은 영역에 빛을 정밀하게 초점을 맞출 수 없습니다. 에른스트 칼 아베가 발견한 것처럼 기존 렌즈는 회절 한계에 의해 제한되지만, 슈퍼렌즈(또는 초렌즈)는 메타물질을 사용하여 굴절률 -1을 얻음으로써 회절 한계를 초과합니다. 그림 3과 같이 수퍼렌즈로 들어오는 빛은 음의 각도 또는 음의 굴절률을 형성하고 표면 법선을 가지며 이중 초점 효과를 경험합니다. 슈퍼렌즈를 얻으려면 메타물질이 음의 유전 상수와 음의 투과성을 모두 가져야만 극초단파장 물체에 대한 정보를 변환하고 왜곡이나 정보 손실 없이 이미지를 재현할 수 있습니다. 또한 이 렌즈는 플레이트의 한쪽에 있는 물체와 렌즈의 다른 쪽에 형성된 이미지 사이에 페이드 파동을 투사할 수 있습니다.
음의 굴절률 메타물질로 들어오는 빛
슈퍼렌즈는 더 얇고, 가볍고, 저렴하고, 이미징이 우수하며, 통합이 쉽다는 장점이 있습니다. 구조의 모양, 회전 방향, 높이 및 기타 파라미터를 조정하여 빛의 편광, 위상 및 진폭을 조정할 수 있습니다. 슈퍼렌즈는 지진 및 쓰나미 방지, 초고해상도 이미징, 양자 포토닉스, 비선형 광학, 바이오 센싱, 광학 회로 소자 및 포토리소그래피 등 다양한 분야에 사용할 수 있습니다.
일반 렌즈와 슈퍼렌즈 비교
- 태양열 흡수기
태양광 장치는 햇빛을 전기로 변환하는 데 널리 사용됩니다. 그러나 태양광 장치는 태양광 스펙트럼의 제한된 부분만 변환할 수 있으며, 태양광 장치의 효율은 Shockley에 의해 제한됩니다.–구매 한도(시트p-n(노드 태양 전지가 달성할 수 있는 이론적 에너지 변환 한계)한계. 메타물질이 주도하는 주요 발전은 광 흡수 기술을 위한 표면 플라즈몬 및 플라즈몬 광학 안테나의 개발입니다. 표면 플라즈몬 여기에는 나노 스케일에서 빛을 지시, 집중 및 산란시키는 기능이 있습니다.만들기태양전지의 광 흡수율을 높이는 데 이상적입니다. 기존 태양광 태양전지의 한계는 다음과 같습니다.언제태양 전지의 두께는 다음보다 작습니다. 100 µm효율성이 될 것입니다낮음; 그러나달성플라즈마 구조의 경우 이 문제는will이 문제는 해결되었으며In향상된 전기장 동안, , 및감소배터리두께와더 많이 만들기Thin. 또한 메타물질 표면에서 표면 플라즈마 여기가 발생합니다.시간이는 광 흡수 장치 내에서 발생하는 상호 작용을 제어하고 표면 근처의 전기장을 크게 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 플라즈마 광학 안테나는 태양 전지의 효율을 크게 높이면서 장치의 크기를 크게 줄일 수 있기 때문에 연구되고 있습니다. 이러한 안테나는 집광판과 유사하게 작동하여 반사 손실을 줄이면서 흡수 단면을 증가시킵니다.
흡수기의 개략도.(a)배열 구조;(b)업소버 유닛 구조;(c)흡수 장치의 평면도;(d)준비 과정 다이어그램
- 무선 전력 전송(WPT)
무선 전력 전송: 장치 간 물리적 연결 없이 전기 에너지를 전송하는 기술입니다. 송신기와 수신기 사이에 전자기장을 생성하여 전기를 전송하는 이 기술은 무선 충전기, 생체 의학 임플란트 및 전기 자동차와 같은 장치에 사용됩니다. 점점 더 많은 디바이스가 무선으로 전환되고 메타물질이 이러한 시스템을 더욱 효율적으로 만들 수 있는 가능성을 보여줌에 따라 보다 효율적인 무선 전력 전송(WPT) 시스템에 대한 수요가 증가하고 있습니다.
주파수 재구성 가능 이중 부하 자기 결합 공진 및 주파수 재구성 가능 메타물질(MRC)-무선 에너지 전송(WFT)시스템
- 암 감지
메타물질에는 아직 많은 한계와 단점이 있지만, 이러한 특성으로 인해 국방, 항공, 건설 등 여러 분야에서 폭넓게 응용될 수 있어 많은 연구자들이 메타물질에 투자하고 있습니다. 생산 및 응용 기술이 계속 성숙함에 따라 글로벌 메타 소재 산업에 점점 더 많은 기업이 등장하고 시장 규모는 계속해서 빠른 속도로 성장할 것입니다. 2026 년 글로벌 메타 소재 시장 규모는 100 억 달러에 달할 것으로 예상되며 산업 발전에 대한 전망이 뛰어납니다.
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