스킵네비게이션

그림 1 고체결정과 액체의 중간에 위치하는 액정상의 개념도

○ 연구배경

물질의 상태 세 가지를 이야기해보시오란 질문을 한다면, 누구나 어렵지 않게, 고체, 액체, 기체를 떠올리면서, 응고나 (고체->액체) 기화와 (액체->기체) 같은 상전이 현상을 배웠던 기억도 날 것입니다. 여기에 더해, 과학에 대해 조금 더 깊은 관심을 가지고 사람들은, 플라즈마라는 물질의 네 번째 상태가 존재한다는 것도 익히 알고 있을 것입니다. 그렇다면, 우주에 존재하는 모든 물질들은 위의 네 가지 물질의 상태로 충분히 설명할 수 있을까요?

고체와 액체의 중간에 존재하는 물질의 또 다른 상태인 액정은, 그 이름의 생소함과는 달리 우리 주변에서 너무도 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 휴대폰과 TV를 비롯한 각종 디스플레이의 핵심적인 부분이 바로 액정입니다. 여러분이 흔히 들어보셨던 LCD는 liquid crystal display의 준말이며, liquid crystal은 우리말로 액정입니다. 흔히 고체는 원자나 분자가 규칙적으로 배열해있는 결정으로 대표되며, 액체는 배열의 규칙을 가지고 있지 않아 쉽게 흐를 수 있으며 어느 용기에도 모양을 맞출 수가 있습니다. 액체의 중간에 존재한다는 것은 어떤 모습일까요? 그리고 연구자들은 어떻게 그리고 왜 이 액정을 디스플레이, 온도계와 같은 다양한 응용제품에 응용하게 되었을까요? 우리가 이번 강연을 통해 배울 내용들입니다.

○ 강연 소개

고체의 액체의 중간 상태라는 액정은 이쑤시개와 같은 짧은 막대기들을 이용하여 비유적으로 쉽게 이해할 수 있습니다. 길이가 똑같은 막대기들을 나란히 차곡차곡 쌓아서 배열하면, 멋진 고체 결정 구조를 만들 수가 있습니다. 이렇게 규칙적으로 쌓은 구조를 마구 흩트리면, 막대기의 위치와 방향이 제각각인 무작위한 구조를 만들 수 있고, 이것은 마치 액체의 분자들이 무작위로 배열한 것과 비슷한 모습니다. 이 두 구조의 중간쯤에 위치한 구조는 어떤 모습일까요?

무작위로 배치된 막대기들을 그 위치는 그대로 둔 채로 모두 남북 방향을 향하게 돌려보겠습니다. 이렇게 ‘배향’된 구조는 분명 고체보다는 덜 규칙적이지만, 액체보다는 규칙적이라고 할 수 있습니다. 모두가 남북 방향을 향해야 한다는 규칙이 존재하기 때문이지요. 이와 같이 고체 결정과 액체의 중간 정도의 규칙성을 가지는 물질의 상을 액정이라고 합니다. 특별히, 위치는 무작위이나 방향에 규칙을 가지는 구조를 네마틱상이라고 부르고, 휴대폰과 티비를 비롯한 각종 디스플레이에 들어가는 액정은 이 네마틱상을 가지고 있습니다.

네마틱상은 쉽게 짐작할 수 있듯이 고체와 액체의 특성을 모두 가지고 있습니다. 액체처럼 쉽게 흐를 수 있어 외부의 자극에 쉽게 반응할 수 있습니다. 동시에 고체와 같은 광학적 특성을 가지고 있어서, 두 개의 굴절률을 가지고 빛과 흥미로운 상호작용을 보여줍니다. 액정의 큰 반응성과 고체와 같은 광학적 특성을 십분 활용한 응용제품이 바로 디스플레이입니다. 아주 간단히 이야기하자면, 액정의 구조를 이용하여 빛이 잘 투과할 수 있는 유리판을 만듭니다. 여기에 전압을 걸어서 전기장을 만들어주면, 액정의 구조가 뒤틀려서 유리판이 더 이상 빛을 잘 투과할 수 없게 됩니다. 이렇게 전기장을 이용하여 빛이 얼마나 투과하는 지를 조절할 수 있으면, 디스플레이에서 밝은 곳과 어두운 곳을 표현할 수 있게 되는 것입니다.

액정상은 네마틱상 외에도 매우 다양한 종류가 존재하며, 지금도 많은 과학자들이 새로운 액정상을 발견하는데 힘을 쏟고 있습니다. 이렇게 다양한 액정상을 공부하는 것은, 우리의 과학적 지식을 더욱 깊게 해주며, 디스플레이를 뛰어넘는 응용제품을 선사해줄 것입니다.

○ 연구팀 및 연구 소개  

울산과학기술원 (UNIST) 물리학과의 연성물질물리연구실은 액정, 고분자를 비롯한 연성물질들을 실험을 통해 그 구조와 동역학을 이해하는 것을 추구하고 있습니다. 연성물질 물리학은 국내는 물론 전 세계적으로도 상대적으로 생소한 물리학 분야이지만, 우리 주변에서 흔히 보는 플라스틱, 디스플레이, 화장품 등을 구성하는 연성 물질을 이해하는 흥미로운 분야입니다. 저희 실험실은 생긴 지 이제 2년에 불과하지만, 저를 포함한 총 8명의 석박사 학생 및 연구원들이 연성물질 물리학의 흥미로운 문제들을 열심히 탐구하고 있습니다. 최근에는 디스플레이에 사용되는 액정과는 전혀 다른, 물을 기반으로 하는 크로모닉 액정에서 놀라운 발견을 해나가고 있습니다. 이 수용성 액정의 연구는 물에 잘 녹는 아미노산과 같은 생체분자들과 액정의 상호작용을 이해할 수 있는 좋은 시스템이 될 것으로 기대합니다.