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액정 ‘결함’ 이용해 고성능 센서 만든다

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2018년 11월 27일 09:30 프린트하기

KAIST 연구진은 액정물질 속 입자가 공기층과 만나면서 정렬되는 ‘상전이’ 현상을 이용해 액정 속 입자를 제어하는 방법을 찾아냈다. 사각 및 다이아몬드 패턴으로 형성된 액정입자의 편광현미경 사진. KAIST 제공
KAIST 연구진은 액정물질 속 입자가 공기층과 만나면서 정렬되는 ‘상전이’ 현상을 이용해 액정 속 입자를 제어하는 방법을 찾아냈다. 여러가지 기판 위에 사각 및 다이아몬드 패턴으로 형성된 액정입자의 편광현미경 사진. KAIST 제공

불규칙해 보이는 자연에서도 알 수 없는 이유로 반복적인 모자이크 구조가 형성되는 일이 의외로 많다. 나뭇잎의 잎맥, 벌집의 모양이 그런 사례다. 국내 연구진이 이런 자연현상을 초소형 액정물질 위에서 인위적으로 구현할 수 있는 방법을 찾아냈다. 고효율 디스플레이나 광학센서 , 초정밀 반도체 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.

 

KAIST 나노과학기술대학원 화학과 윤동기 교수팀은 슬로베니아 루블라냐대 우로스 트칼렉 교수팀과 공동으로 액정 제조과정에서 생기는 ‘결함’ 부위를 규칙적으로 배치해 마이크로미터(㎛=100만분의 1m) 패턴의 ‘모자이크 만화경’ 형태로 구현하는 데 성공했다고 26일 밝혔다. 

 

액정표시장치(LCD)의 핵심 물질인 ‘액정’은 탄소가 포함된 유기 소재를 재차 가공해 만든다. 지금까지는 액정을 만들 때 불가피하게 일어나는 물질 속 구조 변화를 ‘불량’으로 보고, 이를 최소화하기 위해 노력해 왔다. 하지만 최근 들어 이런 액정의 구조 변화가 오히려 빛을 제어하는 광학 성능, 탄성 같은 구조적 기능을 향상시킨다는 결과가 잇따라 나왔다. 

 

문제는 구조 변화가 일어난 액정 일부 성분을 제품 속에 일관성 있게 분포시키기 까다롭다는 점이다. 연구진은 밀폐된 액정 입자가 공기와 만나면 그 방향으로 자라나는 ‘수직배향’ 현상을 이용했다. 미세한 패턴을 미리 그려둔 유리기판 사이에 액정을 주입하고, 그 내부에 액정 분자들이 뻗어나가도록 유도했다. 구조변화가 일어난 특정 액정성분을 다양한 모자이크 패턴으로 배치하는데도 성공했다.

 

연구팀은 온도에 따라 액정물질의 형상이 급격히 변하는 ‘상전이’ 현상 때문에 이런 현상이 생겨난다고 설명했다. 상전이 속도가 빠르면 빠를수록 액정이 급속으로 성장하며 더욱 균일한 패턴을 형성한다. 이 원리로 다양한 자연현상을 추가로 해석하면 향후 반도체 제조 등 더 많은 정밀 산업분야에 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
 
윤 교수는 “한국은 액정 디스플레이 산업의 강국이지만 기초연구는 세계적 수준에 비해 높지 않았다”며 “이번 연구성과가 국내에서 관련 분야 기초연구 발전의 계기가 되길 바란다”라고 말했다.

 

이번 연구는 국제 학술지 사이언스 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스’ 11월 23일 자 온라인판에 게재됐다.

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