액정 '결함'을 기회로..KAIST 연구팀, 공기층 반응 이용한 연구성과

공기 층의 사각 및 다이아몬드 패턴에서 형성 된 네마틱 액정의 편광현미경 사진. KAIST 제공

[이데일리 이재운 기자] 디스플레이 패널 기술 등에 활용되는 ‘액정’ 물질의 결함을 응용할 수 있는 단초를 국내 연구진이 찾아냈다.

26일 KAIST는 나노과학기술대학원 화학과 윤동기 교수 연구팀이 액정의 결함을 이용해 마이크론 크기의 공기 기둥을 만들고, 이를 이용해 모자이크 만화경(kaleidoscope) 패턴을 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

액정 재료는 손쉬운 배향 제어, 빠른 반응 속도, 이방적(anisotropic)인 광학 특성으로 인해 액정표시장치(LCD), 광학 센서 등에 활용되는 대표적 유기 소재다. 이때 액정의 결함을 최소화하는 것이 기존에는 성능 유지의 중요한 요소였으나, 최근에는 오히려 이 결함을 이용해 광학·구조·탄성 기능을 구현할 수 있는 방안에 주목한 연구가 이어지고 있다.

액정 물질은 물풀처럼 흐르는 특성과 마치 도미노처럼 한 부분의 영향으로 모든 영역이 변하는 이른바 ‘장범위 규칙’(long range order)을 갖는 탄성이 있다. 이 때문에 넓은 면적 위에 일관성 있는 규칙에 따라 그려 넣는(패터닝) 작업이 어려웠다.

연구팀은 문제 해결을 위해 대기 상태의 공기층이 액정물질을 만났을 때 수직 배향을 유도한다는 사실에 주목했다. 이를 활용해 마이크로 크기 패턴의 기판과 유리기판 사이에 액정을 주입해 공기 주머니를 자발적으로 형성하도록 하면서 수십 마이크론 내에서 액정분자들을 사방으로 잡아주는(anchoring) 시스템을 개발했다. 이를 통해 효과적으로 액정의 결함 구조를 대면적에서 제어해 모자이크 문양의 패터닝에 성공했다.

이런 반응이 다양한 비 평형적 자연현상에서도 유사한 방식으로 나타난다는 점에 착안한 연구팀은 반도체 등 연관 분야에서 활용이 가능하다는 점도 발견해냈다.

또 위상결함(topological defect)의 밀도 조절을 통해 복잡하고 다양한 2차원 모자이크 패턴을 형성하는 기술도 선보였다. 산업과 실용 디자인 측면에서 예술적 가치는 물론 기술적으로 다양한 응용이 기대된다.

윤 교수는 “우리나라가 액정 디스플레이 산업의 강국이지만 액정 기초연구는 세계적 수준에 비해 높지 않다”라며 “이번 연구를 계기로 국내 관련 기초연구 관심도가 높아지는 계기가 되길 바란다”고 말했다.

윤동기 KAIST 교수

이번 연구는 미래창조과학부와 더불어 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어 사업과 전략연구과제의 일환으로 수행했다. 김대석 박사가 1저자로 참여하고 슬로베니아 루블라냐 대학(University of Ljubljana)의 우로스 트칼렉(Uros Tkalec) 교수와의 국제 공동 연구로 수행한 결과 논문은 국제 학술지 사이언스의 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 11월 23일 자 온라인판에 게재됐다.