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

블로그 이미지

굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

2012 대한민국 IT융합엑스포에 가다!


태풍 볼라벤과 덴빈이 한반도를 지나가고~ 선선한 바람이 불기 시작하는 게 가을이 코앞에 다가온 것 같아요~ 벌써 일 년의 반 이상이 지나갔네요~ 시간 참 빠르죠? ^^
저는 지난 29일 대구에서 열린 ‘대한민국IT융합엑스포’에 다녀왔는데요. 모바일과 디스플레이, 스마트 로봇 등 다양한 IT분야의 전시품목들을 볼 수 있는 좋은 기회가 되었답니다.

그럼 지금부터 대한민국 IT융합엑스포 현장으로 가보실까요?


이번 행사는 대구 종합유통단지에 위치한 EXCO에서 8월 29일부터 31일까지 3일간 열렸어요. EXCO에 입장하고 부스에 가서 명찰을 받았는데요. 저는 미리 온라인 참관신청을 해서 무료로 관람할 수 있었답니다 !

이번 행사에는 국내외 115개 IT관련사에서 참여를 했고요. 약 335개의 부스에서 전시품목들을 선보였습니다. 해외바이어들을 위한 전문프로그램으로 구성됐다는 특징이 있는데요. 3일 동안 IT융복합기술관련 학술세미나와 수출상담회, 기술세미나, 투자설명회 등 꽉 찬 일정으로 진행이 되었어요. 또한 중소기업청에서는 중소기업 정보화지원 설명회, 경찰청에서 기업간 기술유출 및 경찰청 수사사례등을 강의 해주는 시간도 있었습니다~! 

IT강국인 한국답게 스마트폰, 태블릿PC, 울트라북, 모바일 장비와 관련된 부스가 눈에 띄었는데요, 특히 디지털영상장치들이 굉장히 멋졌습니다.^^ 대구에서 열린 사인엑스포에서 입상한 작품들을 보니 간판이란 생각보다 하나의 예술작품이란 생각이 먼저 들더군요. 그러고보면, 요즘은 간판도 개성시대가 아닌가 싶어요.

오홋! 여기는 세계적인 첨단소재 기업으로 유명한 도레이 그룹이네요. 도레이 그룹은 전기전자용, 그래픽용, 자기기록재용 폴리에스터필름과 IT소재의 밑거름이 되는 필름고차가공기술로 고품질 소재 생산을 하고 있는데요. 이번 엑스포에서는 ‘e-윈도우’라고 하는 빛의 투과와 산란을 전기적으로 조절 가능한 필름을 선보였답니다.

이외에도 <주>셀코스에서 OLED 조명 및 디스플레이용 증착기를, 브루커AXS코리아에서는 X-ray분석기, 맥스필름에서는 정전용량형 ITO 필름 및 저저항 ITO 필름을 선보였습니다. 아, 참고로 정전용량이란 저항, 인덕턴스와 함께 회로가 지닌 세 주요 속성 중 하나로서, 키퍼시티 또는 회로의 어떤 부분이 그 맡은 전압에 따라 거기에 전하를 쌓아두는 능력을 표현 한 것을 말해요.

예술에 IT를 접목한 이색적인 ‘디지털미디어아트’전이에요. 위의 사진은 웹컴을 통해서 6개의 세그멘트모양의 지구오브제를 나타낸 것으로 작품명은 Remapping V, interactive Video installation 이랍니다~ 과학과 예술도 요즘엔 떼려야 뗄 수 없는 관계죠? 이 미디어아트전은 여수엑스포에서도 선보일 정도로 기술력을 인정받았다고 하는데요, 앞으로 제2의 백남준과 같은 작가들이 많이 나오길 기대해봅니다.^^

스마트폰 시대답게 대구 모바일 앱 공모전에서 수상한 작품들도 눈에 띄었어요. 대구를 한눈에 볼 수 있고 관광지 정보, 의료시설 등 생활에 필요한 정보들이 쏙쏙 담겨있는걸 보니 대구를 완벽히 지원하고 있다는 생각이 들었어요!

또한 대구경북지역 대학교 연구팀들의 부스들도 많이 볼 수 있었습니다. 요즘 전국적으로 많은 대학들이 산학협력을 통해 창의성을 가진 융합형 인재양성을 하고 있다고 하는데요. 경북대학교에서는 IT자동차 관련 부스를, 경운대, 계명대에서는 LINC(산학협력)부스를 운영하고 있었습니다.

이번 IT엑스포는 국제정보디스플레이학술대회인 'IMID' 및 ‘LED 엑스포‘와 함께 개최되었는데요. IMID는 21개국 2600여 명이 참여했고 LED 엑스포에서는 LED 글로벌 기업인 필립스 루미네즈와 국내 경관조명 1위 기업인 누리플랜 등 국내외 선도 기업들이 대거 참여했다고 합니다. 박람회 참가 업체들은 현재 가장 활성화가 되어있는 유럽이나 일본시장 진출을 할 계획이라네요. ^^


이번 국제행사 개최를 통해 대한민국의 LED, 디스플레이, 모바일 등 IT기반 융합산업의 발전에 대한 기대치도 한껏 높아졌는데요. 이와 더불어 세계 디스플레이산업을 주도하는 우리나라의 위상 역시 한 단계 더 높아지는 계기가 될 것 같습니다. 앞으로도 이러한 행사가 성공적으로 개최되어 우리나라가 세계 각 국의 IT 기술 교류의 장으로 발돋움하고, IT분야에서 더 높은 발전을 이룩할 수 있었으면 하는 바람입니다.


블로그 이미지

굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

그래핀, 환경 친화적이면서 저렴하게 대량 생산하는 길 열렸다!

작은 가방을 메고 있던 한 여성이 잠시 후 가방에서 무언가를 꺼낸다. 그녀가 꺼낸 것은 바로 돌돌 말려있던 e-book! 말아서 작게 만들어 갖고 다닐 수 있어 여성들의 작은 가방에도 충분히 들어가기 때문에 많은 이들이 애용하고 있다.

EFG법을 이용한 그래핀 형성 메커니즘 모식도. 볼밀 과정에서 분쇄된 흑연이 주변의 이산화탄소와 반응하여 기능화된 그래핀이 형성되고 있다.

그리 멀지 않은 미래에 이런 일들을 우리 생활 속에서 자연스럽게 볼 수 있지 않을까?
이 모든 것을 가능하게 하는 것은 바로 ‘꿈의 신소재’라 불리는 ‘그래핀’ 이다. 그래핀흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로, 육각형 형태의 벌집 모형의 결정 구조를 이루고 있으며, 최근 디스플레이, 에너지, 환경, 반도체 소자 등에서 주목받고 있다.

지난 2004년, 가임(Geim)과 노보셀로프(Novoselov) 교수 연구팀이 스카치테이프를 이용해 흑연으로부터 마이크로미터* 크기의 그래핀을 떼어내고 그래핀의 탁월한 물리적․전기적 특성을 밝히면서 그래핀은 기존에 사용되는 고가의 물질들을 대체할 수 있는 ‘꿈의 신소재’로 떠올랐다. 그러나 기계적인 방법으로 얻을 수 있는 그래핀의 양은 매우 적어 실제로 활용하기에는 한계가 있었다.

그래핀의 구조 @CORE-Materials / http://www.flickr.com/photos/core-materials/5057399792

현재, 그래핀을 대량 생산하기 위해 가장 많이 사용되고 있는 방법은 19세기부터 사용해온 흑연을 강산과 산화제로 처리하여 산화흑연을 만든 후 초음파분쇄 과정을 거쳐 산화 그래핀을 얻고, 이를 다시 환원시켜 최종적으로 그래핀을 얻는 것이다.

그러나 흑연을 산화시키기 위해서는 강산과 산화제를 사용해야 하기 때문에 환경적인 문제가 발생하고, 흑연의 산화와 초음파 분쇄 과정을 거쳐 생성된 그래핀은 완벽한 결정구조에서 나타나는 우수한 전기적·구조적 특성을 잃어버린다. 이 특성을 복원하기 위해서는 산화된 그래핀을 유독한(발암물질) 환원제로 환원시키는 과정을 거치지만 그렇다고 100% 환원되는 것도 아니다. 약 70%만 환원되고 30%는 산화된 상태로 남기 때문에 성능이 뛰어난 그래핀을 생산하는데 어려움이 있었다. 하지만 최근 친환경적인 방법으로 그래핀을 대량 생산할 수 있는 신기술이 국내 연구진의 주도로 개발되면서 다시 주목을 받고 있다.

그래핀의 대량 생산 가능성을 밝혀준 이번 연구는 울산과기대 백종범 교수가 주도하고 전인엽 박사과정생(제1저자), 장동욱 박사, 리밍 다이 교수 등이 참여했으며, 유독물질(강산, 강한 부식성 산화제)을 이용해 복잡한 과정을 거쳐 생산하는 기존의 그래핀 제조 방법의 단점을 극복하여, 친환경적이면서도 저렴하게 그래핀을 대량 생산하는 신기술(EFG 기술)을 개발하는데 성공하였다. 

전인엽 박사과정생 (앞줄 왼쪽 첫 번째), 백종범 교수 (앞줄 왼쪽 두 번째) 장동욱 박사 (뒷 줄 왼편 두 번째)를 포함한 UNIST 연구팀

백 교수팀은 흑연을 드라이아이스(고체상태의 이산화탄소)와 함께 볼밀 용기(ball mill, 대표적 분쇄기)에 넣고 고속으로 분쇄할 때, 분쇄된 흑연이 주위에 존재하는 이산화탄소와 반응하여 가장자리가 카르복실산으로 기능화된 흑연(EFG, edge-functionalized graphite)이 합성되고, EFG를 물과 같은 친환경용매에 분산하면 그래핀이 생성되는 매우 간단한 EFG 기술을 처음으로 개발하였다. 연구팀이 개발한 EFG 기술을 이용하면 분쇄할 때 이산화탄소 대신 다른 물질을 이용해 그래핀 가장자리에 다양한 기능을 갖는 그래핀을 생산해낼 수 있다.

백종범 교수는 “이번 연구는 매우 간단한 장비인 볼밀을 이용해 화학적 용매나 유독물질을 포함하지 않는 친환경적인 공법으로 대량 생산하는 원천기술을 개발한 것으로, 150년 역사의 산화·환원법을 통해 그래핀을 생산하는 기술을 대체할 수 있는 탁월한 기술이 될 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다. 

이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구), 미공군협력사업 및 WCU육성사업 등의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’에 3월 27일자로 게재되었다. (논문명: Edge-carboxylated graphene nanosheets via ball milling)

문의처 |
UNIST 친환경에너지공학부 백종범 교수 (052-217-2510)
교육과학기술부 기초연구지원과 김래수 사무관(02-2100-6831)
한국연구재단 전략홍보실 정책홍보팀 조은혜 선임연구원(042-869-6116)

자료 | 교육과학기술부 보도자료

 

블로그 이미지

굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기