물 위에 형성된 액정 결함의 냉각에 의한 위상학적 결함의 상전이 현상.KAIST 제공
한국과학기술원(총장 신성철,KAIST) 나노과학기술대학원 윤동기 교수팀이 액정재료의 위상학적 결함이 발생하는 플랫폼을 이용해 액정의 결함이 온도에 따라 변화하는 과정을 규명했다고 1일 밝혔다.
위상학은 연결성이나 연속성 등, 작은 변환에 의존하지 않는 기하학적 성질들을 다루는 수학의 한 분야로, 위상학적 결함의 상전이는 2016년도 노벨물리학상의 주제이기도 했다.
액정에서의 결함은 위상학적으로 우주에서 발생하는 블랙홀과 같은 위상학적 현상과 비슷한 구조를 가져 우주의 원리를 연구하는데 중요하다.
윤 교수팀은 액정재료의 위상학적 결함이 안정적으로 발생하는 플랫폼을 제작해 온도 변화에 따른 상전이(phase transition)를 직접 관찰했다.
우주 은하의 위상학적 구조적 원리도 이에 바탕하고 있어 많은 연구자들이 집중하고 있는 분야다.
연구팀은 물 위에 기름이 떠다니는 현상을 이용, 물 위에 얇은 액정재료 막을 형성해 액정 분자들의 움직임이 제한적이지 않은 환경을 조성했다.
이런 환경에서 온도를 변화시키면 그 구조체를 구성하는 분자와 분자 사이의 미세한 상호작용이 기판에 의한 표면효과보다 훨씬 크기 때문에 위상학적 결함의 상전이를 연속적, 직접적으로 관찰할 수 있다.
액정 결함은 위상학적으로 우주에서 발생하는 블랙홀과 같은 위상학적 현상과 비슷한 구조를 갖는다.
우주 은하의 위상학적 결함을 관찰하기에는 범위가 크고 시간이 오래 걸리지만 윤 교수팀이 고안한 플랫폼의 위상학적 결함 구조는 광학 현미경으로 관찰이 가능한 수준으로, 결함의 상전이가 일어나는 시간도 수초에서 수분 단위이기 때문에 관찰이 용이하다.
윤 교수팀의 연구 방식은 온도 변화를 통해 위상학적 결함의 형성과정을 순서대로 혹은 역으로 조절할 수 있어 전이과정을 면밀하게 관찰하면 중간 상태의 결함구조를 통해 최초의 그 결함 형태와 구성 분자들의 배열을 정확히 역추적 할 수 있다.
윤 교수는 “액정 결함에 대한 이번 연구 결과는 산업적 측면 뿐 아니라 기초 학문에 세계적 공헌을 할 수 있을 것”이라며 “우리나라가 액정 디스플레이 산업의 강국이지만 액정에 대한 기초연구는 세계적 수준에 비해 높지 않다. 이번 연구를 계기로 국내 관련 기초연구에 대한 관심을 촉발시키는 계기가 되길 바란다”고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 5월30일자 온라인 판에 게재됐다.
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