Steering Thermal Radiation

Sun-Kyung KIM and Jin-Woo CHO

Thermal radiation is a physical phenomenon exhibiting dual characteristics of both light and heat. Sunlight, serving as the primary source of energy, emanates as thermal radiation from a high-temperature surface at 5,700 K. It is also responsible for the feeling of warmth experienced when individuals congregate and non-contact measurement of body temperature. Thus, thermal radiation exists everywhere in our daily life. However, in the early 20th century, thermal radiation posed a challenge to physicists. The endeavor to elucidate the spectrum of thermal radiation led to the concept of light as photons, therefore signaling the advent of quantum physics. It is known that thermal radiation uniformly emits, irrespective of its direction and polarization, with the spectrum dictated by Planck’s law. Yet, this commonplace should be modified when thermal radiation encounters the principle of nanophotonics. Herein lies the ability to modulate the intensity of thermal radiation across desired wavelengths, directions, and polarizations. In this article, we will delve into the latest research findings concerning the manipulation of thermal radiation and its promising applications.

들어가며

복사광은 때로는 열복사라고 부르기도 하고, 빛과 열의 속성을 함께 지닌 물리 현상이다. 만물 에너지의 원천인 태양광은 5,700 K의 고온 표면에서 방출되는 복사광이고, 삼삼오오 무리를 지을 때 사람이 온기를 느끼는 것도, 비접촉 방식으로 체온을 재는 것도 다 복사광 때문이다. 이렇듯 복사광은 우리의 일상생활 곳곳에서 경험할 수 있다. 한편, 복사광은 20세기 초 물리학자의 심기를 가장 불편하게 했던 문제였는데, 흑체 스펙트럼을 설명하는 과정에서 빛은 광자라는 이름으로 탄생할 수 있었다. 그리고 이는 양자물리의 서막을 알리는 신호탄이 되었다.

복사광은 흔히 방향과 편광에 상관없이 균일한 세기로 방출되고, 복사광의 스펙트럼은 (플랑크 법칙에 따라) 표면 온도로만 결정된다고 생각하기 쉽다. 즉, 태양이 녹색으로 보이거나 태양계의 행성이 공전 궤도의 특정 위치를 지날 때만 낮이 되는 현상은 상상하기 힘들다. 하지만 복사광이 나노포토닉스를 조우하면 이러한 상식은 수정되어야 한다. 나노포토닉스 원리에 기초한 구조 설계를 통해 원하는 파장·파수·편광의 복사광 세기를 강화하거나 혹은 반대로 억제할 수 있기 때문이다. 이 글에서는 ‘복사광 조종’과 관련된 최근까지의 연구 결과와 이를 활용한 실생활 응용에 관한 이야기를 풀고자 한다.

서 론

Fig. 1. Schematics describing emitters with spectrally (top) and spatially (bottom) engineered thermal radiation characteristics.

우리는 중고등학교 시절에 열을 한 곳에서 다른 곳으로 전달하는 주요 경로로써 전도, 대류, 복사를 배운 적이 있다. 복사는 여타 열전달 경로와는 다르게 전달 매질이 필요하지 않은데, 이로부터 복사가 전달 매질이 필요하지 않은 유일한 파동인 전자기파, 즉 빛이라는 생각에 도달한다. 대개 열역학을 통해 처음 복사를 접하다 보니 이따금 복사가 빛이라는 중요한 사실을 망각할 때가 있다. 복사는 열이자 빛이다. 그래서 복사열(열복사), 복사광이라는 표현을 자연스럽게 혼용한다. 복사광을 방출하는 구조표면에 나노포토닉스 설계를 적용하면, 복사광의 파장·파수(방향)·편광 등을 제어할 수 있다[그림 1].1) 복사광의 제어는 복사열의 제어를 의미하므로, 나노포토닉스는 원하는 방향으로 원하는 세기의 열을 전송하는 일을 가능하게 한다는 뜻이다. 여기서는 특히 복사광의 파장과 파수를 제어하는 여러 연구 결과와 각각의 쓰임새를 논의한다.

복사광 파장 조종

Fig. 2. Blackbody spectra of the sun (5,700 K) and earth (300 K). The atmospheric window is plotted together.

Fig. 3. Principle of Kirchhoff’s law of thermal radiation. An object X and blackbody in a constant temperature enclosure reach thermal equilibrium by emitting and absorbing both thermal radiation, ensuring the object X’s emitted power equals its absorbed power.

흑체 스펙트럼은 흑체의 표면 온도에 의해 결정되는데, 플랑크는 귀납적 추론 과정을 통해 실험으로 관측된 흑체 스펙트럼을 설명하기 위해서는 빛의 양자화, 즉, 광자의 개념이 필요하다는 점을 인지하였다. 그림 2는 5,700 K(예, 태양 표면)와 300 K(예, 지구 표면)의 흑체에서 방출하는 복사광 스펙트럼을 각각 나타낸다. 지표에 도달하는 태양광 세기는 녹색 파장(~500 nm)에서, 지표에서 방출하는 복사광 세기는 중적외선 파장인 ~9 μm에서 최대가 된다. 특히, 태양 복사광 스펙트럼(0.2‒2.5 μm)과 지표 복사광 스펙트럼(2.5‒30 μm)이 거의 겹치지 않는다는 점은 주목할 만하다. 이는 지표로 유입되는 태양광 입사 에너지와 지표에서 방출되는 복사광 에너지의 균형에서 비롯된 (결코 우연이 아닌) 결과이다.

플랑크 법칙은 흑체를 대상으로 한다. 하지만 실생활에서 흑체는 존재할 수 없고, 어떤 물체가 흑체에 가까운 정도를 방사율(emissivity, \(\small \varepsilon_1\))로 정의한다. 실생활 물체의 방사율 \(\small \varepsilon\)는 0과 1 사이의 값을 가지고, 파장(\(\small \lambda\)), 방향(방출각, \(\small \theta\)), 편광(p)의 함수로 주어진다. 즉, 이상적인 흑체는 모든 파장·방향·편광에 대해 \(\small \varepsilon = 1\)인 물체를 의미한다.

흑체는 표면 온도가 같을 때 복사 에너지를 가장 많이 방출하는 물체이다. 동시에 흑체는 모든 빛을 흡수하는 물체를 뜻한다. 빛의 ‘복사’와 빛의 ‘흡수’는 가역 관계에 놓여 있는 물리 현상이다. 즉, 어떤 구조의 특정 파장, 방향, 편광에서의 방사율과 흡수율(\(\small \alpha\))은 서로 같다. 키르히호프는 멋진 사고 실험을 통해 이를 증명하였다[그림 3].2)

\[ \alpha (\lambda, \theta, p) = \varepsilon (\lambda, \theta, p) \]

키르히호프의 ‘열복사 법칙’은 ‘빛의 가역성’의 산물이기에 가역 대칭성을 깨뜨리는 조건3)이 부여되면 더는 유효하지 않다. 최근에 ‘열복사 법칙’의 위배를 관측하는 실험 결과가 보고된 적이 있다.4)

그림 4는 표면 온도 300 K의 두꺼운 유리가 방출하는 복사광 스펙트럼의 계산 과정을 나타낸다. 유리는 중적외선 대역에서 흡수율(방사율)이 1에 근접하는 ‘거의’ 흑체이지만, 물질(SiO₂) 고유의 분자 진동5)으로 인해 파장 9 μm 근처에서 흡수율의 골(dip)을 만든다.6)

Fig. 4. The thermal radiation spectrum of quartz. It is derived by multiplying the blackbody spectrum at its surface temperature and its emissivity spectrum at that temperature.

이에 따라 해당 파장 영역에서 유리의 복사광이 억제됨을 확인할 수 있다. 이 결과는 ‘복사광 파장의 조종’과 관련하여 중요한 교훈을 시사한다. 복사 스펙트럼 제어는 흡수 스펙트럼 제어와 동일한 물리 문제가 된다. 즉, 특정 파장의 복사광 세기를 강화하거나 억제하려면 해당 파장의 흡수율을 조정함으로써 해결할 수 있다.

물질마다 자신만의 광학 상수(분산)를 가지고 있으므로 물체의 방사율은 (두께 변수를 제외한다면) 물체를 구성하고 있는 물질에 의해 이미 결정되기 마련이다. 하지만 나노포토닉스의 철학은 같은 물질을 사용하더라도 물체의 구조화(설계)를 통해 원하는 광학 특성을 구현할 수 있다는 데 놓여 있다.

Fig. 5. Ideal emissivity spectra for radiative cooling (A) and thermal radiation camouflage (B). The insets depict nanophotonics structures designed to achieve specific spectra for the applications.

파장 선택 방사체를 설계할 때, 8‒13 μm의 파장 영역이 주요 관심사이다. 그림 2에서도 확인할 수 있듯이, 8‒13 μm은 대기창(atmospheric window)7)이다. 이와 동시에 상온(~300 K) 흑체에서 방출하는 복사 에너지의 ~50%를 차지하므로, 열적외선 카메라의 동작 영역이기도 하다. 그러므로 8‒13 μm에서 파장 선택 복사가 일어나는 방사체는 대기 흡수 없이(즉, 온실효과 없이) 열에너지를 우주로 방출하는 무동력 냉각 기술이 된다[그림 5A].8)9)10)11) 반대로 파장 8‒13 μm의 복사를 억제하는 방사체는 열적외선 카메라에 감지되지 않는 위장(camouflage) 기술이 된다[그림 5B].12) 이와 같은 파장 선택 방사체의 구현을 위해 1차원(다층 박막),9) 2차원(직물 패턴),10) 3차원(다층 박막+직물 패턴)11) 구조 설계가 제안되었다. 필자의 연구팀은 복사를 거의 하지 않는 금속 표면에 ‘틈새 플라즈몬’13)을 여기하는 광학 공진기를 도입하여 ‘복사 냉각’ 기능의 금속을 보고하였고,10) 저마늄과 황화아연이 교차 배치된 다층 박막을 설계하여 군사용 위장 기술을 실현하기도 하였다.12) 이외에도 구조를 구성하는 물질의 종류와 배치법(질서도)에 따라 다양한 목적의 설계 예시를 찾을 수 있다. 최근에는 스펙트럼의 형태를 목표로 설정하고, 이를 구현하는 물질·구조 변수의 조합을 기계학습14)을 통해 발견하는 연구가 성행하고 있다.12)15)

복사광 파수 조종

일반적으로 복사광은 전 방향에 걸쳐 고르게 방출한다. 그렇다면 복사광에 방향성을 부여할 수 있을지 의문을 품을 수 있다. 앞서 설명한 키르히호프의 열복사 법칙을 잘 이해하였다면, 입사각에 따라 흡수율이 달라지는 구조표면의 설계를 통해 이 문제를 해결할 수 있다.

스마트폰에서 고사양 앱을 장시간 구동하면, 기기 표면의 온도는 쉽사리 체온을 넘어선다. 기기 표면에서 방출되는 복사광은 전 방향으로 방출되므로 대부분의 복사광은 근접 거리에서 기기를 이용하는 사용자의 안면에 흡수된다. 디스플레이 기기의 초박화 및 투명화가 진행됨에 따라 이러한 ‘인체 열쾌적성’ 이슈는 심화할 수 있다. 이때 정면이 아닌 측면 방향으로 복사광을 방출하는 투명 커버를 전자기기에 도입한다면, 전자기기 온도와 관계없이 ‘인체 열쾌적성’을 개선할 수 있다.16) 이러한 각도 선택 방사체를 열적외선 카메라로 촬영하면, 촬영 각도에 따라 구조가 나타나거나 사라지거나 하는 현상이 일어날 수 있으므로 새로운 위장 기술이 될 수 있다.

Fig. 6. Simulated energy–momentum dispersions of an oxide/metal film (A) and microstructured free-standing oxide film (B).

한편, 유전율(permittivity) 017)의 물질로 이루어진 박막은 특정 입사각·편광의 빛을 강하게 흡수하는 성질을 가지는데, 이를 (발견한 사람의 이름을 따서) Berreman 모드라고 한다.18) Berreman 모드는 박막이 얇아질수록 최대 흡수율의 입사각이 증가하는 경향을 나타낸다. 실리카(SiO₂)는 파장 8 μm 근처에서 유전율이 0이 되는 산화물이다. 두께 100 nm의 유리 박막이 은(silver)거울이 코팅된 실리콘 기판에 증착된 상황에서 입사각별 스펙트럼(에너지-운동량 분산)을 계산하면[그림 6A], 파장 8 μm 근처에서 p 편광된 강한 측면(방출각 > 50도) 복사광이 관측된다.19) 이와 비교하여 SiO₂ 박막을 구부린 공극 구조에서는 p 편광과 s 편광 모두 우세한 측면 복사광이 관측된다[그림 6B].

필자의 연구팀은 그림 6B의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 공극 구조를 제작하였다. 공극 구조를 둘러싸는 껍질로 실리카와 알루미나(Al₂O₃), 두 종류의 산화물을 사용하였다. 그 이유는 알루미나의 유전율은 파장 12 μm 근처에서 0이 되므로, SiO₂/Al₂O₃ 조합20)을 통해 ‘광대역(8‒13 μm)’ 측면 복사를 실현할 수 있기 때문이다.

Fig. 7. Thermography images for carbon tape- and microstructured free-standing oxide film-coated samples.

제작된 공극 구조의 측면 복사를 확인하기 위해 복사율이 1에 가까운 인체 모사 구조를 준비하였고, 가열기 표면에는 제작된 공극 구조 혹은 참고 시료로서 카본 블랙(흑체)을 부착하였다. 세 회전각(0도, 30도, 60도)의 열적외선 카메라 영상을 살펴보면[그림 7], 카본 블랙의 경우 회전각과 관계없이 선명한 얼굴 형상이 관측된다. 이와 비교하여, 공극 구조에서는 회전각이 0도와 30도일 때는 형상이 희미하지만 60도에서는 형상이 또렷해진다.

최근에는 복사광을 ‘비대칭’으로 방출하는 방사체에 관한 관심이 고조되고 있다.21) 유리창은 중적외선 대역에서 흑체에 가깝게 행동하는 방사체이다. 측벽에 설치된 유리창의 경우 방출된 복사광의 절반이 지표를 향하는데, 대낮에는 지표 온도가 대기보다 높으므로 지표의 복사광을 억제할 때 유리창의 복사 냉각 능력이 강화된다. 이처럼 특정 팔분공간을 향하는 복사광의 억제를 위해 기하광학 기반의 마이크로 프리즘을 활용하는 연구가 활발하다.

맺음말

방사체 표면에 적절하게 설계된 1차원 격자를 적용하면, 선형 편광된 복사광이 방출된다. 이상 살펴본 바와 같이 나노포토닉스는 복사광의 파장·파수·편광을 꽤 넓은 범위까지 제어하고 있다. 새로운 광학 공명의 발견과 설계 자유도의 증가는 제어 범위를 더욱 확장할 수 있다. 이는 복사 냉각, 열적외선 위장 기술을 넘어 유기물 분광, 위조 방지, 열광전 배터리, 기능성 의류, 스마트 농장 등의 응용을 창출할 수 있다. 최근에는 외부 환경의 온도에 따라 방사율이 변하는 소재를 활용하여 여름철에는 시원함을, 겨울철에는 따뜻함을 제공하는 ‘무동력’ 스마트 창호에 관한 연구가 관심을 끌고 있다. 복사광의 태생은 분명 광자였으나 파장과 비슷한 크기의 구조를 만나면 파동으로 변모한다. 이러한 견지에서 복사광 제어 연구는 나노포토닉스 용어의 의미를 가장 충실하게 따르는 분야가 아닐까 한다.