KAIST, 액정 결함의 변이 과정 관찰 성공

연구진, "위상학적 결함 이해하는 데 큰 도움 될 것"

KAIST 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀은 액정(고체와 액체의 중간 상태를 띠는 물질)의 결함이 온도에 따라 변화하는 과정을 규명해 냈다고 1일 밝혔다.

일반적으로 액정 재료는 손쉬운 배향 제어, 빠른 반응속도, 이방적(anisotropic)인 광학 특성을 갖고 있어 액정표시장치(LCD)나 광학 센서 등에 사용된다.

하지만 물질 특성상 액정의 결함은 불가피하게 발생한다.

윤 교수 연구팀은 이 결함을 단순히 없애는 데만 집중하지 않고 결함의 구조를 이해하고 형성 원리를 명확하게 규명하는 기초연구에 집중했다.

물 위에 형성된 액정 결함의 냉각에 의한 위상학적 결함의 상전이 현상의 편광현미경 사진../사진제공=KAIST

이를 통해 액정재료의 위상학적 결함이 안정적으로 발생하는 플랫폼을 구성, 온도 변화에 따른 상전이(phase transition)를 직접적으로 관찰한 것.

'위상학'이란 연결성이나 연속성 등 작은 변환에 의존하지 않는 기하학적 성질들을 다루는 수학의 한 분야이다.

'위상학적 결함의 상전이'는 2016년도 노벨물리학상의 주제이기도 할 만큼 기초과학 분야에서 중요하다.

우주 은하의 위상학적 구조적 원리도 이에 바탕하고 있어 많은 연구자들이 집중하고 있지만 너무 범위가 크고 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.

하지만 윤 교수팀이 고안한 플랫폼의 위상학적 결함 구조는 광학 현미경으로 관찰이 가능한 수준의 크기이다.

또 결함의 상전이가 일어나는 시간도 수초에서 수분 단위이기 때문에 관찰이 용이하다는 장점이 있다.

연구팀은 물 위에 기름이 떠다니는 현상을 이용, 물 위에 얇은 액정재료 막을 형성해 액정 분자들의 움직임이 제한적이지 않은 환경을 조성했다.

이런 환경에서 온도를 변화시켜 그 구조체를 구성하는 분자와 분자 사이의 미세한 상호작용이 기판에 의한 표면효과보다 훨씬 큰 점을 이용, 위상학적 결함의 상전이를 연속·직접적으로 관찰할 수 있었다는 게 연구진의 설명이다.

윤 교수는 "액정 결함에 관한 연구는 20세기 초반부터 약 100여 년 간 위상기하학을 연구하는 물리, 수학자들에 의해 연구됐지만 결함의 형태 전이를 세밀하게 직접적으로 관찰한 것은 이번이 처음"이라며 "이번 연구 결과는 산업적 측면 뿐 아니라 기초 학문에 세계적 공헌을 할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'의 5월 30일자 온라인 판에 게재됐다.