한국원자력연구원은 미국 시카고대와의 공동 연구를 통해 차세대 액정 '블루 페이즈'(blue phase)의 상 전이 원리를 규명했다.

블루 페이즈 액정은 초고속으로 응답하는 특성이 있으며, 기존 상용화된 액정보다 공정이 단순해 차세대 액정 재료로 주목받고 있다.

특히 온도를 변화시키면 순간적으로 '상'(phase)이 변하게 되는데 이 같은 상 전이 원리에 대해서는 알려진 바가 없었다.

2일 연구팀은 블루 페이즈 연성결정(고체와 액체 특성을 함께 가지고 있는 상태)의 온도를 43도에서 40.7도로 낮추면 순간적인 상 전이가 일어나며, 이 현상이 일반적인 원자결정에서 나타나는 '마르텐사이트 상 전이' 현상과 비슷하다는 사실을 찾았다고 밝혔다.

▲ 블루 페이즈의 상 전이 과정(위)과 마르텐사이트 상 전이의 쌍정층상 구조와 비슷한 블루 페이즈의 격자 무늬(아래)

불에 달군 철을 물에 넣어 급속도로 냉각시키면 '마르텐사이트'라는 매우 단단한 조직으로 변하는데 이 같은 현상을 마르텐사이트 상 전이라 부른다.

이전까지는 원자결정에서만 마르텐사이트 상 전이 현상이 보고됐지만 이번 연구를 통해 원자결정보다 1천배 이상 큰 연성결정에서도 동일한 현상이 일어난다는 사실을 발견했다.

연구팀은 엑스선 산란 기술을 이용해 온도를 변화시키며 발생하는 블루 페이즈 액정의 상 전이를 실시간으로 관찰하는 데 성공했다.

산란 패턴을 분석한 결과 블루 페이즈 액정의 상 전이 과정이 원자결정에서 관찰돼 온 마르텐사이트 변이와 유사하다는 것을 확인했다.

블루 페이즈 액정에서 격자 무늬가 생기는 이유도 지금까지는 알려지지 않았지만, 마르텐사이트 상 전이에서 발생하는 '쌍정'(twin) 층상 구조와 같다는 것을 이번 연구를 통해 밝혀냈다.

원자력연 진형민 박사는 "빠른 속도로 색이 변하는 반사형 컬러 디스플레이, 스마트 피부 등 차세대 광학 소재 산업에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 원자력연 진형민 박사, 시카고대 폴 닐리·후안 드 파블로 교수, 리 샤오 박사 등이 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances) 지난달 27일 자 온라인 판에 실렸다.

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