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차세대 액정 디스플레이 개발 가능성 열리다!


경희대학교 최석원 교수
(41세)와 김민준 석사생이 주도한 연구로 고속 응답의 차세대 고성능 액정 디스플레이(LCD) 개발 가능성이 새로운 전환점을 갖게 됐습니다. 영국왕립화학회의 권위 있는 학술지인 ‘Chemical Communications’지 최신호(9월 14일)에 내부 표지논문으로 발표된 이번 연구는 기존의 액정에 비해 넓은 온도범위(25도 이상)에서 매우 안정적으로 발현되며, 기존 액정보다 반응속도도 최대 1000배이고 생산 공정도 단축할 수 있는 3차원 나노구조 액정으로 변환시키는 기술입니다.

Chemical Communications에 실린 내부표지 사진 (자외선 빛에 노출되어 유도된 3차원 나노 구조를 가진 액정상의 현미경 사진 모식도)


      (논문명 : Photoisomerization-induced stable Liquid Crystalline Cubic Blue Phase)

LCD(Liquid Crystal Display)는 액체와 고체의 중간상인 액정의 전기적‧광학적 성질을 이용한 표시소자인데요, 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정과 같이 규칙적으로 배열된 것으로, 이 분자배열이 외부전계(電界)에 의해 변하는 광학적 성질을 이용하여 표시소자로 만든 것이 바로 LCD입니다.

1888년 처음 발견된 액정은 1968년 디스플레이에 응용되면서, 현재 스마트폰, 노트북PC, 모니터, TV 등에 다양하게 활용되고 있습니다. 특히 LCD 산업은 우리나라가 세계를 선도하는 주요 산업 기술 중 하나라는 점에서 의미가 깊죠.

최근에는 국내외적으로 LCD산업의 경쟁력을 강화하기 위해, 화질이 더욱 선명하면서도 신속하게 반응하는 LCD를 구현하고자 집중적인 연구가 진행되고 있는데요, 현재 이것을 가능하게 하는 차세대 핵심재료로서 ‘광학 등방 액정재료*’가 주목 받고 있습니다. 그러나 지금까지 이 액정재료는 1~2도 정도의 극히 짧은 온도범위에서만 구현된다는 온도 범위의 제약으로 응용에 있어 단점으로 지적되어 왔습니다. 

 * 광학 등방 액정 : 액정 재료의 분자간의 상관거리가 가시광의 파장보다 작은 액정으로, 이 액정재료가 있으면 별도의 분자정렬 공정과정이 필요 없음

사용된액정재료의분자식


최석원 교수 연구팀은 우선 액정상(液晶相)을 나타내는 굽은 형태 분자 (BC1)에, 광반응성 반응기를 도입한 새로운 형태의 액정 재료 (BC2)를 혼합한 후, Chiral dopant를 혼합계에 도입시켜, 단일 나선구조를 가지는 콜레스테릭 액정상을 발현시키고 365nm의 자외선을 쬐어 기존의 액정을 25도 이상의 넓은 온도 범위에서 별도의 분자정렬 공정 없이 3차원 나노구조 액정으로 변환시키는데 성공하였습니다.

이로써 액정 혼합물에 ‘빛에 의해 분자의 형태가 변하는 분자(광응답성 분자**)’를 혼합한 후, 자외선을 쬐어 분자의 형태를 변화시켜(광이성질체화***), 분자 간에 서로 섞이지 않는 현상(상 분리)을 이용하면, 스스로 별도의 분자정렬 공정이 필요 없는 3차원 나노구조 액정을 만들 수 있다는 사실을 밝혀낸 것입니다.

 ** 광응답성 분자 : 빛에 의해 물성과 기능이 가역적으로 변하는 분자
*** 광이성질체화 : 분자가 빛을 흡수하여 들뜬상태를 거쳐 이성질체화를 일으키는 현상

특히 기존의 연구결과에서는 별도의 분자정렬 공정이 필요 없는 3차원 나노구조 액정으로 변환된 후, 가시광선이나 열처리로 원래의 액정으로 되돌아갔지만, 이번 연구에서는 분자 간에 서로 섞이지 않는 현상(상 분리) 기술을 이용해 원래 상태로 되돌아가지 않고 안정된 상태를 유지한다는 점에서 의미가 크다고 할 수 있습니다.

3차원적으로 나노 구조를 가지는 액정상의 발현 온도 범위


이번 연구를 주도한 최석원 교수는 “이번 연구를 통해 자발적으로 3차원 나노구조를 갖는 차세대 핵심재료를 개발함에 따라, 국내 디스플레이 분야에서 새로운 경쟁력을 확보하고 차세대 디스플레이 개발에 밑거름이 될 것으로 기대한다”고 연구의의를 전했습니다.

이번 연구에 참여한 연구원의 실험 모습 (현미경을 보고 있는 김민준 석사과정, 왼쪽에 박경원 석사과정, 최석원 교수 및 허성택 박사과정)

놀라운 산업적 파급효과가 기대되는 고속 응답의 차세대 고성능 액정 디스플레이! 이제 그 모습을 보게 될 날도 머지않아 보입니다.

자료 | 교육과학기술부 보도자료

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