▲ 성균관대 전자전기공학부 송장근 교수.

국내 연구진이 전기장을 이용해 산화그래핀의 액정 특성을 쉽게 조절할 수 있는 방법을 개발했다.

성균관대 전자전기공학부 송장근 교수(교신저자), 심전자, 홍승호 연구원(이상 공동 제1저자) 등은 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구자지원사업의 지원으로 수행한 이번 연구는 네이처 머티리얼스지(Nature Materials) 3월9일자 온라인판에 게재됐다.

산화그래핀은 탄소 단일층으로 된 그래핀이 산화된 형태로 종전에는 그래핀 제조를 위한 전 단계 물질로만 주목받았으나 그래핀과 달리 물 등의 용매에 잘 분산되고 결합한 기능기의 종류와 밀도에 따라 도체, 반도체, 부도체 등 다양한 특성을 가져 종이나 실의 제조, 윤활제, 바이오센서 등 이를 이용하려는 응용연구가 활발한 소재다.

또한 액정은 유동적인 액체와 결정 고체의 특성을 동시에 갖는 재료나 물질 상태로, 일반적으로 액정상을 갖는 재료는 입자들이 자발적으로 배열되고, 그 배열을 전기장과 같은 외부 자극을 통하여 조절할 수 있다.

산화그래핀은 LCD와 달리 전기장으로 배열 조절이 어려운 것으로 알려져 있었다. 기존 액정 물질에 비해 1,000배 정도 전기반응성을 높여 향후 저전력 광학 및 전기 소자 개발에 기여할 것으로 기대돼 왔다.

하지만 전기장으로 산화그래핀 입자 배열을 조절하면 전기분해 현상, 용액이 흐르는 현상, 산화그래핀이 환원되는 현상, 산화그래핀이 전극에 붙어버리는 현상 등 여러 문제들이 발생되는 것으로 알려져왔다.

송 교수 연구팀은 산화그래핀 입자들 간 마찰력 때문에 배열 조절이 어려운 것을 알아내고 산화그래핀의 농도를 낮추는 등 마찰력을 약화시키는 방식으로 입자들을 효율적으로 정렬시키는 방법을 개발했다.

특히 산화그래핀은 얇고 표면적이 넓은데다 표면의 전기 이중층 때문에 기존 LCD에 사용되는 액정 물질에 비해 전기장에 대한 반응정도를 약 1,000배까지 높일 수 있다는 설명이다.

이는 보고된 블루상 액정 등 어떤 재료보다 반응정도가 큰 것으로 약한 전기장으로 입자 배열을 조절할 수 있어 광소자에 응용될 경우 소비전력을 낮출 수 있게 된다.

실제 연구팀은 산화그래핀을 이용해 기존 LCD를 구동시키는 전기장보다 1,000배 약한 전기장으로 구동되는 표시장치를 구현해냈다.

송장근 교수는 “이 연구결과는 새로운 저전압 디스플레이와 같은 광학기기, 정렬된 상태의 특성을 이용하는 기계적, 전기적 소자 등에 사용할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.

▲ 유도 복굴절에 의한 산화그래핀의 구동 소자(a) 및 균일하게 배열된 넓은 면적의 산화그래핀 액정상 확보(b) .