국내연구진, 금속처럼 단단한 결정 가진 액정 개발

KAIST, 유기 분자 기반 나노재료 기술에 활용 가능성 높아

KAIST(한국과학기술원)는 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 유동적으로 움직이는 액정 재료를 금속과 같이 단단한 결정처럼 움직이지 않게 만드는 ‘3차원 나노패터닝 기술’을 개발했다고 14일 밝혔다.

이 기술은 수십 나노미터(nmㆍ10억분의 1m) 수준의 제한된 공간에서 액정 분자의 자기조립(Self-assembly) 현상을 유도하는 것이 원리다.

이번 연구는 앞으로 유기 분자 기반의 나노재료를 활용하는 기술에 활용될 것으로 전망된다.

액정 재료는 손쉬운 배향 제어ㆍ빠른 반응 속도ㆍ이방적(Anisotropic)인 광학 특성으로 액정표시장치(LCD), 광학 센서 등에 이용되는 대표적인 유기 소재다.

그러나 액정 재료는 물풀과 같이 유동적으로 흘러 구조의 제어가 어려워 안정적이지 않아 활용 범위가 제한되곤 했다.

이에 연구팀은 문제를 해결하고자 액정 재료가 들어 있는 수십 nm의 2차원 공간을 위, 아래 옆, 사방에서 눌러주는 시스템을 개발했다.

게스트(guest) 역할의 액정물질과 상호작용하는 호스트(host) 물질을 3차원 나선형의 나노구조체로 제작해 효과적으로 게스트 물질을 제어하는데 성공했다.

공간 자체를 줄이면 유동적으로 흐르는 액정 물질조차 마치 고체처럼 단단해지게 된다.

기존 연구는 단순 2차원 고정된 공간을 한정적으로 이용했다면, 이번 연구는 고정된 공간을 인위적으로 조절해 그동안 존재하지 않던 좁은 공간을 3차원적으로 구현한 것이다.

이를 이용하면 냉각이나 건조 등 추가 공정 없이도 유기액정재료를 금속 결정상에 버금가는 배열로 3차원 공간에 균일하게 제어할 수 있다.

현재 디스플레이와 반도체에 사용되는 단순한 선과 면 형태의 2차원 패터닝을 탈피해 고차원 구조 중 가장 구현이 어렵다는 나선 형태도 쉽게 제조가 가능하다.

이를 통해 앞으로 카이랄 센서ㆍ차광소재ㆍ분리막 등 광범위한 분야에 응용이 가능하다.

윤 교수는 “이번에 개발한 원천기술을 이용하면 현재 사용되는 2차원적 광식각 공정(Photolithography)에 비해 10배 이상 제작 과정을 간소화시킬 수 있다”며 “현재 기술로 구현이 어려웠던 복잡한 구조를 최초로 만듦으로써 반도체, LCD 등 관련 분야에서 신 성장 동력을 창출할 수 있을 것”이라고 말했다.

김한임 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 지난 10일 ‘사이언스 어드밴스(Science advances)’온라인 판에 게재됐다. 최소망 기자 somangchoi@

▲ 결정화된 액정구조체 형성 원리 모식도