에너지시스템학과

우리 학교 이재현 교수가 참여한 연구팀이 그래핀 전극 위에서 액정 분자 배열 방향이 결정되는 원리를 규명해냈다. 이 기술은 앞으로 액정 디스플레이(LCD) 공정에 적용, 고품질 고효율의 제품을 만드는 데 기여할 수 있을 전망이다.  

이재현 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진)와 성균관대 송장근·황동목 교수팀이 공동으로 참여한 연구의 이번 성과는  ‘Selectivity of Threefold Symmetry in Epitaxial Alignment of Liquid Crystal Molecules on Macroscale Single-Crystal Graphene’라는 논문으로 지난 2일자 <어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)>에 실렸다.

‘꿈의 나노 물질’로 불리는 그래핀은 투명하고 유연하며 전기전도성도 뛰어나다. 이에 그래핀 전극을 액정 디스플레이(LCD)에 적용하려는 시도가 활발하다.

하지만 그래핀 위에 액정을 코팅하면 막대 모양의 액정 분자들이 한 방형으로만 배열되는 특징이 있다고 알려져왔다. 액정을 씻어내고 다시 코팅해도 여전히 같은 방향으로만 배열된다. 이론상 액정 배열은 3가지 방향으로 될 수 있는데, 실제로는 그 중 한 방향으로만 배열됐고, 액정을 코팅해보기 전에 액정 배열 방향을 예측할 수 없으므로 응용기술 개발도 이루어지기 어려웠다.

이재현 교수 연구팀은 액정 배열 방향이 액정과 그래핀 표면이 최초로 만나는 순간의 액정 분자 방향에 의해 결정됨을 밝혀냈다. 기존 한 방향으로만 배열되는 실험 결과들은 그래핀 표면의 이물질에 의한 오류였다는 것. 청결도가 매우 높은 순수 그래핀 위에서는 3가지 방향으로 액정 배열 확률이 동일함이 연구팀에 의해 증명됐다.

이로써 액정 배열 상태를 통해 그래핀 표면의 청결도를 판단할 수도 있다. 그래핀에 붙는 이물질의 양이 극히 작아 일반적 방법으로는 그래핀 청결도를 측정할 수 없었던 문제까지 해결해 낸 것이다.

연구팀은 더불어 대면적 단결정 그래핀에서 원하는 방향으로 균일한 액정 배열을 얻는 기술을 개발해 LCD 소자에 적용했다. 이 경우 그래핀 전극이 배향막 기능을 담당하므로 별도의 배향막에 의한 화질 저하 현상을 방지하고, 공정단계도 획기적으로 줄일 수 있다.

연구팀은 “그래핀 위에서 액정의 배열 원리와 방향 결정의 원리를 명확히 규명해 냈다”며 “이를 바탕으로 잘 조절된 액정배향을 확보해 LCD 소자를 제작했고, 이는 액정배향을 조절해 만든 최초의 그래핀 전극 액정소자”라고 설명했다.

연구팀은 이번 연구 성과가 중국 업체들의 저가 공세로 어려움을 겪고 있는 국내 LCD산업의 경쟁력을 회복하는데 활용되기를 기대한다고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단 해외우수신진연구자유치사업(과학기술정보통신부 소관), 대통령 포닥 펠로우십(교육부 소관), 삼성 미래기술육성센터 과제 등 지원으로 수행됐다.