스마트폰 화면, PC모니터, TV 등은 단단한 틀을 유지하고 있습니다.

이를 휘어지게 만들면 신문지처럼 말아서 갖고 다닐수 있는 모니터, 옷 겉면을 자유자재로 표현하는 점퍼 등 그 활용도가 무궁무진한데요.

여기에 필요한 핵심 기술은 휘거나 접었을 때 깨지지 않는 디스플레이 구조입니다.

LCD 화면을 구현하는 액정은 유동성이 있으면서도 분자배열도가 우수한 고체적 특성을 동시에 갖고 있으며, 표면에너지나 전기장에 의해 쉽게 배향제어를 할 수 있기 때문에 널리 사용되고 있습니다.

하지만 유체의 특성상 압력이나 구부림 등 기계적 변형에 취약, 색 번짐 등의 불필요한 광학 특성을 나타나기 때문에 휘어지는 디스플레이를 만드는 데 큰 지장을 초래합니다.

이를 극복할 수 있는 방법으로는 액정을 안정적이고 균일한 크기의 3차원 구형 구조로 만들고서는 작은 사이즈의 얇은 막으로 둘러싸서 캡슐화하는 '3차원 액정 마이크로캡슐화 기술'이 있는데요.

대표적인 것이 콜레스테릭 액정입니다.

콜레스테릭 액정은 나선형의 분자배열을 갖고 고유한 반사특성을 나타내는 기능성 액정으로, 최근 액정 연구 분야에서 매우 활발하게 연구되고 있는 광학 재료입니다.

2013년 NanoMarkets 발표 자료를 보면 기능성 액정캡슐이 적용될 수 있는 플렉시블 액정디스플레이 및 플렉시블 스마트윈도우 시장은 2018년까지 각각 32억 달러(3조 5,000억 원), 7.5억 달러(8,000억 원)에 이를 것으로 전망되고 있습니다.

미세유체소자기술, 액정배향제어기술 개발

한국화학연구원 김윤호 박사와 KAIST 김신현 교수가 주도하고 이상석 KAIST 생명화학공학과 학생(주 저자)은 미세유체소자 기술과 액정배향제어기술을 통해 압력과 구부림 등의 기계적 변형에 강하면서도 모든 방향에서 균일한 색깔을 보이는 특성을 가진 액정 제조 기술을 개발했습니다.

미세유체소자 기술은 공정에 쓰이는 배관을 머리카락 굵기의 모세관으로 만들어 여러 물질의 흐름을 정교하게 제어할 수 있는 기술이고요. 액정배향제어기술은 화학반응으로 발생하는 표면에너지를 이용해 액정 분자를 원하는 방향으로 세우고 눕히는 기술입니다.

이번에 연구팀이 개발한 기술은 미래 유연 디스플레이나 기능성 스마트윈도우 등을 제조하는 데 매우 유용할 전망인데요.

이를 통해 연구팀은 그동안 LCD처럼 2차원 평면구조에만 적용되던 액정 소재를, 유연 디스플레이, 마이크로레이저, 3D 프린팅용 잉크 등 완전히 새로운 형태의 3차원 소자로 적용할 수 있는 가능성도 열었습니다.
 
또 연구팀은 콜레스테릭 액정이 분자의 주기적 배열 때문에 특정한 반사색을 구현할 수 있고,온도 변화에 따라 주기적인 구조에 변화가 생겨 반사 색상이 변화하는 특징에 주목했는데요.

캡슐환 된 기능성 액정 물질이 온도에 따라 색상을 다양하게 변화시킬 수 있는 고유한 특성을 갖고 있는 것에 착안, 색상 변환의 원리에 따라 플렉시블 LCD뿐만 아니라,  온도센서, 기능성 컬러 스마트윈도우 등에도 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

연구팀은 이번 연구가 물처럼 흐르는 특성을 지닌 액정을 안정적이고 균일하게 3차원 구형으로 제조할 수 있는 것으로, 유연한 디스플레이, 기능성 스마트윈도우, 마이크로레이저 등 미래 광학전자산업에 획기적인 역할을 할 것으로 보고 후속 연구를 계속할 예정입니다.

한편, 이번 연구결과는 세계적 권위의 어드밴스드 머티리얼(Advanced Materials)지 2015년 1월 27일자 내부 표지 논문으로 선정됐습니다. (영문 제명: Robust Microfluidic Encapsulation of Cholesteric Liquid Crystals Toward Photonic Ink Capsules)

 

 용  어  설  명

콜레스테릭 액정 
콜레스테릭 액정은 기존 액정디스플레이에 사용되는 액정은 네마틱 (nematic) 이라는 상을 가짐. 콜레스테릭 액정은 이러한 네마틱 액정상이 주기적인 나선형의 (helix) 꼬임 분자배열을 가지는 액정임.
액정분자의 주기적인 나선배열로 인해 광결정 (photonic crystal) 구조를 가지게 되어 고유한 반사 및 편광특성을 나타냄
 
미세유체소자 (Microfluidic device)
유리나 고분자 등의 다양한 소재를 이용하여 제작된 마이크로미터 수준의 모세관 채널을 이용하여 여러 종류의 유체의 흐름을 정교하게 제어할 수 있는 미세 소자
다성분의 유체의 흐름을 정확하게 제어할 수 있기 때문에, Lab on a chip 개념의 미세화학반응기 및 진단용 기구로 사용되고 있으며 또한 다양한 물질의 마이크로캡슐화에도 적용할 수 있음.

Advanced Materials
독일 Wiley-VCH사에서 발행하는 응용화학 재료 분야에서 권위 있는 국제학술지 (2014년도 SCI 피인용지수: 15.409)

 

 

 연  구  개  요

1. 연구배경
미래의 디스플레이 및 광학소자 기술의 발전방향은 깨지지 않고 휠 수 있는 저전력 소모의 플렉시블 광학소자라고 말할 수 있음.
우리나라는 세계 최고의 액정디스플레이 기술을 보유하고 있음. 하지만, 유체적인 성질을 가지는 액정의 고유한 특성 상, 기계적 변형 (압력, 구부림 등) 에 매우 취약하고 원하지 않는 광학특성이 나타나는 단점 때문에, 플렉시블 광학소재로 적용하는데 커다란 제약이 있음.
이를 극복하기 위하여 액정을 고분자에 분산하여 방울(droplet) 형태로 만들어 플렉시블 소재화 하려는 시도들이 있으나, 액정 방울의 크기가 불균일하고 액정 물질이 다른 재료에 포함되어 있는 형태이기 고유의 광학특성을 이끌어내는데 어려움이 있음. 이를 위해서는 안정적으로 캡슐화 된 액정 소재의 개발이 필요함.
본 연구에서는 고유한 광학특성을 가지는 콜레스테릭 액정을, 세계최고수준의 미세유체소자 기술을 이용하여 다양한 주변 환경에서도 안정적인 3차원 액정 마이크로캡슐을 균일한 크기로 제조할 수 있는 기술을 개발하였음.

2. 연구내용
본 연구에서는 유리 모세관으로 제작된 미세유체소자를 이용하여  유체의 유량을 정교하게 제어함으로써, 기름/물/액정의 이중액적 (double emulsion) 구조를 만들 수 있음.
이중액적의 가장 가운데에는 액정이 위치하고 물 층이 감싸고 있는 구조임. 물 층은 자외선에 의해 경화가 가능한 수용성 고분자를 포함하고 있기 때문에 이중액적 형성 후 자외선 조사를 통해 안정적인 액정 캡슐을 제작할 수 있음.(그림 1)

 
제조된 액정 캡슐은 액체와 같은 흐름성을 가지는 액정을 포함하고 있음에도 불구하고, 경화된 고분자 층으로 캡슐화 되어 있기 때문에, 공기 중에서도 매우 안정적이며 다양한 용액 상태에 분산도 가능하여 코팅 및 잉크소재로도 적용 가능함.
액정 마이크로캡슐의 크기는 미세유체소자를 통해 흐르는 물질들의 유량에 따라서 제어가능하며 ~100㎛ 수준의 마이크로캡슐을 제조할 수 있음.
캡슐화에 사용된 액정 물질은 규칙적인 주기를 가지는 나선형의 분자배열을 가지는 콜레스테릭 액정으로서, 주기에 따라 결정되는 파장을 선택적으로 반사하는 성질을 가지고 있기 때문에, 그림 1에서 보이는 녹색 파장의 (550㎚) 반사색을 확인할 수 있음.
이러한 반사색상은 액정에 회전성을 부여하는 물질의 함량을 제어함으로써, 가시광 및 기타 파장 영역으로 손쉽게 변환이 가능함. 또한, 캡슐화 공정으로 통해 3차원 적으로 캡슐화 되어 있기 때문에, 기존 LCD에서 나타나는 시야각 문제를 탈피하여 모든 방향에서 동일한 광학특성을 나타내는 큰 장점을 가지고 있음.

액정은 온도에 의해서 분자배열이 바뀌는 물질이기 때문에, 제작된 액정마이크로캡슐을 서로 다른 온도 환경에 놓았을 때, 액정분자의 나선 구조의 주기가 변화하게 되어, 액정 캡슐의 색은 온도에 따라 다양하게 변화함.(그림 2) 

온도에 따른 액정 마이크로캡슐의 색상 변화온도에 따른 액정 마이크로캡슐의 색상 변화


이러한 색상 변환 원리를 통해 온도센서, 스마트 윈도우용 소재 및 파장가변형 마이크로레이저 등으로 활용할 수 있음.

새로운 개념의 액정캡슐 제조기술은 그 연구의 가치를 인정받아  Advanced Materials 최신호 (2015년 1월 27일)의 내부 표지 논문으로 선정되었음. (그림 3)

2015년 1월 Advanced Materials 표지 (Inside back cover)2015년 1월 Advanced Materials 표지 (Inside back cover)


이번 연구는 한국화학연구원이 미래성장동력을 발굴하고 신진연구자의 연구역량을 고취시킬 수 있도록 추진하고 있는 “창의사업”의 지원을 받아 수행되었으며, 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 (센터장: 원종찬 박사)와 KAIST 생명화학공학과의 공동연구팀이 수행한 결과임.

3. 기대효과
캡슐화 공정을 통해, 액정을 균일한 크기의 3차원 구형 구조로 만들면, 모든 방향에서 균일한 광학특성을 구현할 수 있으며, 기존 가루 형태의 도료 및 잉크와 같이 손쉽게 취급할 수 있는 소재로 적용할 수 있음.
그 결과 기존에 2차원 평면 구조로만 이용되던 액정을 이용하여 완전히 새로운 형태의 광학소자로의 응용이 가능함.
이번 연구를 통해, 선택적인 반사를 일으키는 기능성 액정 (콜레스테릭 액정)을 안정적으로 정확하게 캡슐화 함으로써, 플렉시블 액정 디스플레이 뿐만 아니라, 3차원 구조의 마이크로레이저, 기능성 컬러 스마트윈도우와 같은 새로운 연구 분야를 개척할 수 있을 것으로 기대됨.
또한, 최근 각광받고 있는 3D 프린팅의 광학잉크로도 적용할 수 있을 것으로 예상됨.

 

김윤호 박사

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 한국화학연구원 그린화학소재연구본부 
 ○ e-mail : yunho@krict.re.kr 

2. 학력
 ○ 1999 - 2003 KAIST 생명화학공학과 학사
 ○ 2003 - 2006 KAIST 생명화학공학과 석사
 ○ 2006 - 2010 KAIST 생명화학공학과 박사   
 
3. 경력사항
 ○ 2007 - 2007     Kent State Univ. 액정연구소, 방문연구원
 ○ 2010 - 2011     Washington Univ. in St. Louis, 박사 후 연구원
 ○ 2011 - 현재     한국화학연구원, 선임연구원

4. 전문 분야 정보
 ○ 유/무기 나노소재 합성 및 미세구조제어, 차세대 유기광전자 소재

김신현 교수

1. 인적사항
 ○ 소 속 : KAIST 생명화학공학과
 ○ e-mail : kim.sh@kaist.ac.kr

2. 학력
 ○ 2000 - 2004 연세대학교 화학공학과 학사
 ○ 2004 - 2009 KAIST 생명화학공학과 박사  
 
3. 경력사항
 ○ 2009 - 2010     KAIST 생명화학공학과, 박사 후 연구원
 ○ 2010 – 2012     Harvard University, 박사 후 연구원
 ○ 2012 - 현재     KAIST 생명화학공학과, 조교수

4. 전문 분야 정보
 ○ 연성소재 물리적 거동 및 유체역학, 미세유체소자 기반 기술

 

 

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posted by 이재형 과학이야기