그래핀 이용 배향막 필요 없는 LCD 기술 개척

송장근 황동목 이재현 교수 연구팀, 액정 배열 복제 기술도 시연

청결한 그래핀 위에 나타나는 6개 도메인의 액정배향 = 그래핀 위에 액정을 떨어뜨리면 방사상 형태의 6개의 액정배향 도메인이 나타난다. 초고속 카메라로 관찰해 보면 액정방울 최하단에서 기판과 접촉하면서 접촉면이 확장되어 가는 것을 확인할 수 있다. 이때 액정방울 표면에는 액정분자가 표면에 수직방향으로 배열이 되어 있는데, 기판과 접촉면이 확장되어 갈 때 방사상 방향으로 액정 분자가 기판에 접촉하게 된다. 액정은 접촉방향에서 가장 가까운 그래핀의 배열방향(암체어 방향)으로 배열이 된다. ⓒ 한국연구재단

한국연구재단(이사장 노정혜)은 성균관대 송장근 황동목 교수와 아주대 이재현 교수 공동연구팀이 단결정 그래핀 전극 위에서 액정 분자의 배열 방향이 결정되는 원리를 규명해, 그래핀을 이용한 배향막이 필요 없는 LCD 기술의 길을 열었다고 밝혔다.

연구팀은 액정 배열 방향이, 액정과 그래핀 표면이 최초로 만나는 순간의 액정 분자 방향에 의해 결정된다는 것을 밝혔다.

기존 한 방향으로만 배열되는 실험결과들은 그래핀 표면의 이물질에 의한 오류였으며, 청결도가 매우 높은 순수 그래핀 위에서는 세 방향으로 액정 배열 확률이 동일하다는 것이 증명됐다.

액정 배열 상태를 확인함으로써 그래핀 표면의 청결도를 판단할 수도 있다.

그래핀에 붙는 이물질의 양이 극히 작아 일반적인 방법으로는 그래핀 청결도를 측정할 수 없었던 문제를 해결했다.

또한 연구팀은 대면적 단결정 그래핀에서 원하는 방향으로 균일한 액정 배열을 얻는 기술을 개발해 LCD 소자에 적용했다.

그래핀 전극이 배향막 기능을 담당하므로 별도의 배향막에 의한 화질저하 현상을 방지하고, 공정단계도 획기적으로 줄일 수 있다.

뿐만 아니라 단순한 스탬핑 방법을 이용해 그래핀 위의 복잡한 구조의 액정 배열을 다른 그래핀 기판으로 옮기는 액정 배열 복제 기술도 시연했다.

그래핀 전극 위에 블레이드 코팅 방법으로 만든 균일한 배향과 LCD 소자 = 액정을 블레이더로 밀면 액정 배열 방향이 블레이더 진행방향과 나란하게 배열된다. 이를 이용하여 균일한 액정배향을 가진 액정 소자를 만들고 전기광학 특성과 액정이 기판에 붙어 있는 힘의 크기도 측정하였다. ⓒ 한국연구재단

대면적 단결정 그래핀 전극 합성 기술과 균일한 액정 배향기술을 결합하여 배향막과 다른 투명전극이 없는 LCD 기술을 개발할 수 있다.

이러한 소자는 투명전극의 증착, 배향막 코팅 공정과 러빙 공정을 생략할 수 있는 장점이 있다.

또한 LCD에서는 이온들이 배향막 표면에 흡착되어 잔상, 화면 떨림 등의 화질 불량을 유발할 수 있는데, 이 때 동일한 양의 이온이 흡착되어도 배향막 두께가 얇을수록 그 효과는 급격히 감소하는데, 배향막을 생략함으로써 이러한 화질 불량 현상을 현저히 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

송장근 교수 연구진은 산화그래핀 액정을 이용한 디스플레이 기술을 최초로 개발한 이력이 있고, 황동목 교수‧이재현 교수는 대면적 단결정 그래핀을 최초로 합성한 연구팀이다.

이 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 8월 2일에 게재되었다.