우리얘기

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)

평판 디스플레이 산업은 21세기 정보화 산업을 주도하는 핵심 산업으로, LCD를 중심으로 활발히 연구되고 있습니다.

이는 우리나라가 세계시장의 50% 이상을 점유하고 있는 세계선도 산업이기도 합니다.

LCD에는 전기광학소자로서 액정을 구동시키기 위해 여러 기술이 집약되는데, 특히 표시 소자의 품질과 기능을 좌우하는 가장 기본적이면서 핵심적인 기술이 LCD를 구동하기 위해 사용하는 액정(Liquid Crystal)을 한쪽 방향으로 정렬하는 액정배향기술입니다.

현재 모든 LCD 제품의 액정배향기술은 얇은 고분자 필름 표면에 일정한 방향으로 기계적으로 홈을 파고, 그 홈을 따라 액정 물질을 배향시키는 기법이 적용됩니다.

그러나 고분자 배향막은 고분자 설계 합성부터 후처리까지 많은 시간과 비용이 소비되고, 고분자 안정화를 위한 고온공정은 자유롭게 기판을 선택할 수 없게 하여, 자유자재로 휘어지는 디스플레이 등 차세대 디스플레이에 활용하기 힘든 기술적 한계가 있었습니다.

기존 LCD와 달리 고분자 배향막이 필요 없는 신개념 LCD 기술이 개발됨에 따라 더욱 얇고 고화질에 속도도 빠른 차세대 디스플레가 나올 전망입니다.

□ KAIST 정희태 교수팀은 고분자 배향막 없이 LCD에 사용되는 투명한 전극용 유리막(ITO)만을 이용해 액정을 배향시키는 무배향막 기술을 개발했습니다.

정 교수팀의 원천기술인 신개념 방식의 패턴기법을 전극용 유리막에 적용하여 20nm의 높은 분해능과 높은 종횡비를 갖는 패턴을 형성한 후에도 투명전극의 고유 성질인 전도도와 투과도가 변함없이 유지되어, 배향막과 투명전극의 기능을 동시에 수행할 수 있음이 확인됐습니다.

연구팀이 개발한 기술은 고분자 배향막 없이 투명전극 패턴만을 이용하여 액정의 수평(혹은 수직) 배향 모두 가능합니다.

따라서 제조공정이 기존의 배향막 공정시간만큼 단축되었을 뿐만 아니라, 현재 사용하고 있는 LCD보다 수 ㎛에서 ㎝까지 더욱 얇게 LCD를 만들 수 있습니다.

(좌) 초고분해능(폭 20nm, 높이 200nm)과 고종횡비를 가지는 ITO 패턴의 모습 (우) ITO 패턴 (노란 점선)만을 이용한 액정 배향 편광현미경 사진

또한 현재 LCD보다 더욱 낮은 구동전압과 빠른 응답속도 등의 특성을 보여 배터리 수명도 길고 화질이 좋으면서 속도도 빠른, 고화질 초고속 화면 디스플레이 개발에 가능성을 열었습니다.

이 기술은 어떠한 기판에도 적용할 수 있고, ㎚ 단위로 미세조절이 가능해 액정 기반의 플렉시블 및 멀티도메인 모드와 같은 차세대 디스플레이에도 적용할 수 있는 기술로 평가 받고 있습니다.

또한 연구팀이 개발한 투명전극 패턴기술은 디스플레이 분야뿐만 아니라 투명전극 기판이 쓰이는 민감도가 크게 향상된 터치패널에도 활용될 수 있습니다.

이번 기술은 고분자 배향막이 필요 없고, LCD에 사용했던 기판을 그대로 활용하여 구동할 수 있다는 점에서 산업적 의의가 매우 큽니다.

이번 연구는 KAIST 정희태 석좌교수(교신저자)가 주도하고 정현수, 전환진 박사과정생(공동1저자), 한국화학연구원 김윤호 박사와 전북대학교 강신웅 교수(공동 교신저자) 등이 참여했습니다.

연구결과는 '네이처'의 자매지 'Nature Asia Materials(NPG Asia Materials)' 온라인 속보(2월 17일)에 게재되었습니다.
(논문명 : Bifunctional ITO layer with a high resolution, surface nano-pattern for alignment and switching of LCs in device applications)

장성우 연구원, 전환진 연구원, 이은형 연구원(왼쪽부터)이 ITO 패턴 제작을 위한 ion-bombardment 공정장비의 상태를 점검하고 있다.

 용  어  설  명

ITO (Indium Tix Oxide) :
ITO (인듐주석산화물): 산화 인듐과 산화주석의 혼합물로서 흔히 투명전극이나 ITO라고 한다.
얇은 박막에서 투명하고 전기전도율이 좋아 평판디스플레이, 터치스크린, 태양전지등 다양한 분야에서 투명도와 전도도가 요구되는 기판으로 사용되고 있다.
ITO를 다양한 방식으로 패턴하여 산업계에 적용시키려는 연구가 많이 진행되어 왔으나 패턴 형성 시 저항이 급격하게 올라가 전도도가 떨어져 전극으로서의 기능을 수행할 수 없었다.
따라서 고분해능의 패턴 형성 후에도 전도도와 투과도가 유지되는 것이 큰 난제였다.

액정(Liquid Crystals) :
액체와 같이 유동성이 있으면서 고체적인 특성을 나타낸다. 전기적 특성이 매우 뛰어나 LCD 구동을 위한 핵심 물질로 사용된다. 자연계에는 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등 다양한 종류의 액정이 존재한다.

고분자 배향막 :
액정 배향(配向)을 위해 투명전극위에 도포하는 얇은 고분자 필름

표시소자(indicating element) :
부호나 문자, 도형, 화상 등 또는 그 조합된 정보를 입력에 대응하여 표시하기 위한 소자

<정희태 교수> 1. 인적사항   ○ 주소: 대전시 유성구 대학로 (구성동 373-1),       한국과학기술원 (KAIST) 생명화학공학과 2. 학력  1987  학사, 연세대학교, 화학공학과  1989  석사, KAIST, 생명화학공학과  1998            박사, 미국 Case Western Reserve University, 고분자공학과   3. 경력사항  1989 ~ 1994     삼성종합기술원, 선임연구원 1998 ~ 2000    미국 캘리포니아대학, 박사후 연구원 2000 ~ 현재     KAIST 생명화학공학과, 정교수 2003 ~ 2005    한국생명공학연구원, 초빙교수 2007 ~ 현재     KAIST 화학과, 겸임교수 2007 ~ 현재     KAIST 나노연구소, 겸임교수 2009 ~ 2010    미국 국가표준연구소, 방문교수 2010 ~ 현재     Macromolecular Research 부편집장 2011 ~ 현재     KAIST, 석좌교수