[기술뉴스] 변형 겔로 만든 새로운 촉각 디스플레이

고분자과학과 기술 제 20 권 1 호 2009년 2월 47

진일보된 유기 태양 전지의 실현 가능성

유기 전자 소자(organic electronics)가 응용 가능한 분야는 저렴한 태양 전지, 향상된 의료 이미징, 보다 가벼우며 보다 유연한 텔레비전 스크린 등이 거론될 수 있다. 최근 토론토대(University of Toronto) 화학과 그렉 숄레스(Greg Scholes) 및 엘리사베타 콜리니(Elisabetta Collini) 연구진은 분자가 에너지를 흡수하여 이동시키는 방식에 대 한 새로운 정보를 얻어냄으로써 유기 전자소자의 실현 가능성을 보 다 앞당겼다.

분자 수준에서 빛이 어떻게 물리 프로세스를 개시하는지 그리고 이 를 어떻게 이용할 수 있는지에 대해 연구한 그들은 효율적인 유기 태 양 전지를 구축하기 위해 가장 촉망되는 후보 중 하나인 공액 고분자 (conjugated polymers)를 연구하였다. 공액 고분자는 매우 긴 유기 분자로서 반도체 성질을 갖기 때문에 트랜지스터 및 LED를 제조하는 데 이용될 수 있다. 이러한 전도성 고분자가 빛을 흡수하면, 빛이 전 하로 변환되기 전에 에너지는 고분자 사슬을 따라가거나 혹은 고분 자 사슬 사이로 이동하게 된다.

유기 태양 전지에 있어 가장 큰 장벽 중 하나는 빛이 흡수된 후 일어 나는 사건을 조절하기 어렵다는 점이다. 이러한 사건은 에너지를 전송하 거나, 정보를 저장하거나 혹은 빛을 방출하는 것이라고 콜리니는 말했 다. 이번 연구 결과는 일반적인 조건에서조차도 양자 효과(quantum effects)를 이용하여 조절 가능하다는 것을 시사한다.

분자간 혹은 분자를 통한 에너지의 초고속 이동은 상온에서조차도 임의의 호핑(hopping)보다는 양자 역학 메커니즘(quantum-me- hanical mechanism)에 의해 진행된다. 이러한 사실은 일반적이지 않 은 것이며, 향후 연구에 많은 영향을 미칠 것으로 예상된다. 왜냐하 면 모든 사람들은 이와 같은 양자 효과가 매우 낮은 온도에서 복잡한 시스템에서만 발생하는 것으로 생각하였다.

연구진의 이번 발견을 통해 보다 효율적으로 빛을 포획하고 이동 시키는 유기 태양 전지 혹은 센서를 디자인하기 위한 새로운 장이 열 릴 것으로 기대되고 있다. 또한, 양자 정보가 이전에 생각되었던 것 보다 오랫동안 존재한다는 것을 시사하기 때문에 양자 컴퓨터 개발 에 중요한 정보로 이용될 것이다.

연구진은 공액 고분자를 양자 역학 상태에 있도록 초단 레이저 펄 스(ultrashort laser pulses)를 이용하였다. 이러한 상태에선 빛이 흡 수된 상태와 바닥 상태가 동시에 존재한다. 이는 중첩 상태(super- position state) 혹은 양자 부합(quantum coherence)으로 불린다.

이후 연구진은 초단 레이저 펄스가 이용되는 복잡한 방법을 통해 양 자 상태가 고분자 사실을 따라가는지 혹은 사슬 사이를 이동하는지 관찰하였다. 실험 결과에 따르면 양자 상태는 고분자 사슬을 따라 이동하는 것으로 관찰되었다. 사슬을 구성하는 화학적 골격은 양자 부합 에너지 전이를 가능케 하는 중요한 요소이다. 화학 골격이 없을 경우 에너지는 디자인에 의해서 보다는 우연에 의해 이동된다. 이번 연구 결과는 화학 성질인 구조가 양자 부합을 이용하여 에너지의 초 단 이동 조절하는데 사용될 수 있다는 것을 시사한다.

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Science, January, 2009)

효율저하를 낮추는 새로운 LED

렌셀러공대(Rensselaer Polytechnic Institute : RPI) 연구진이 조명성능과 에너지효율이 크게 개선된 새로운 종류의 발광다이오드 (LED)를 개발하고 시연하였다. 삼성전기와의 협력으로 개발된 이 새 로운 편광정합 LED는 광 출력이 18퍼센트 향상되었고 콘센트효율 은 22퍼센트나 향상되었다. 콘센트효율이란 본질적으로 LED가 빛 으로 바꾸는 전기의 양을 측정한 것이다. 이번 새 장치는 저밀도의 전 류를 공급받을 때 가장 효율적이지만, 고밀도의 전류가 공급되면 효율 성을 상실하게 만드는 유명한 현상인 ‘효율저하’를 크게 줄이는데 성 공했다. 이러한 저하의 원인은 아직 충분히 이해되지는 못하고 있지 만, 전자누설이 이 문제의 주요 원인일 수 있다는 것이 여러 연구로 밝 혀졌다.

“오늘날의 고휘도 LED들은 효율이 가장 높게 나타나는 전류밀도보 다 훨씬 더 높은 전류밀도에서 작동되기 때문에 이러한 저하는 관심 의 대상이 되고 있다.”라고 RPI의 퓨쳐칩(Future Chips) 웰플릿수 석교수(Wellfleet Senior Constellation Professor)이자 이번 프로 젝트의 책임자인 프레드 슈버트(E. Fred Schubert)는 말했다. 그는 국립과학재단이 투자한 스마트조명연구소(Smart Lighting Engi- eering Research Center) 소장이기도 하다. “LED가 좀 더 효율적 으로 작동하는 값까지 전류밀도를 줄일 수는 없기 때문에, 이 문제는 걸림돌이 되어왔다. 그러나, 근본적으로 재설계된 활성영역, 즉 편광 정합 활성영역을 갖고 있는 우리의 새 LED는 이 문제를 처리하여 높 은 전류밀도에서도 좀 더 효율적으로 작동할 수 있게 만든다.”라고 슈 버트는 말했다.

빛이 발생되는 LED의 활성영역에 초점을 맞춘 슈버트 팀은 이 영 역에 편광이 정합되지 않는 물질이 포함되어 있다는 것을 발견했다.

편광부정합은 전자누설을 야기하여 효율을 떨어뜨리는 원인으로 생 각되고 있다. 연구진은 새로운 양자장벽 디자인을 도입하면 편광부 정합을 크게 줄일 수 있다는 것도 발견했다. 이들은 LED 활성영역인 전통적인 갈륨인듐질화물/질화갈륨(GaInN/GaN) 층을 갈륨인듐질화 물/갈륨인듐질화물(GaInN/GaInN) 층으로 교체했다. 이러한 교체로 활성영역의 층들은 편광에 더욱 잘 정합될 수 있기 때문에, 전자누설 과 효율저하를 줄일 수 있다. 이 새로운 GaInN/GaInN LED에 대한 시험으로 확인된 장점들은 편광정합이 전자누설과 효율저하를 모두 줄이는 것으로 나타난 이론적인 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다.

LED와 고체조명을 토대로 한 조명장치의 새로운 물결은 몇 년 내 로 일반적으로 보급된 전구를 밀어낼 것이며 건강, 운송시스템, 디지 털 디스플레이 및 컴퓨터 네트워킹 분야에 혁명을 일으키는 것은 물 론, 환경, 에너지 및 비용에 있어서 방대한 이득을 줄 것으로 슈버트 는 예상하고 있다.

(Applied Physics Letters, January, 2009) 변형 겔로 만든 새로운 촉각 디스플레이

독일 전기공학자가 모양을 바꿔 표면 위에 물체를 나타내는 축축 한 겔로 만든 촉각 디스플레이를 개발했다. 이 장치는 소프트 콘택트

기술뉴스

48 Polymer Science and Technology Vol. 20, No. 1, February 2009 렌즈를 만드는데 사용되는 재료의 일종인 하이드로겔(hydrogel)을

이용한다. 하이드로겔은 주로 폴리머 내부에 결합된 물로 이루어져 있 다. 일부 하이드로겔들은 온도나 산도와 같은 조건들이 변함에 따라 부풀거나 오그라들 수 있다. 드레스덴공대(Technical University of Dresden)의 안드레아스 리히터(Andreas Richter)와 조지 파슈브 (Georgi Paschew)는 맹인들을 위한 새로운 촉각 디스플레이를 개 발하기 위한 노력으로 하이드로겔의 그러한 능력을 이용했다. “우리 는 부피와 기계적 강도를 크게 바꿀 수 있는 스마트 하이드로겔을 사 용한다.”라고 리히터는 말했다.

이 두 과학자들은 온도에 민감한 하이드로겔 방울 4225개로 이루 어진 사각 배열을 만들었다. 각 방울의 폭은 대략 300마이크론이며 이웃 방울과도 비슷한 정도의 간격을 두고 있다. 단 1제곱센티미터의 배열 속에는 겔 ‘화소’가 297개나 포함되어 있다. 화소들은 광 빔이 비춰지면 가열되는 검정 폴리에스테르 뒤판 위에 놓여있으며, 광 빔 은 개별적인 방울을 따뜻하게 만들 수 있을 정도로 충분히 좁다. 29 ℃ 이하에서는 화소들의 높이가 0.5밀리미터이지만, 35 ℃까지 가열되 면 일부 물을 방출하여 절반 높이가 된다. 또한, 화소들은 불투명해지 고 촉감이 훨씬 더 딱딱해진다. 검정 뒤판을 가로질러 광 빔을 빠르 게 주사하면 1초에 두 번 바뀌는 고해상도 촉각 영상을 표시하는 것 이 가능하다. 광 빔이 화소에서 제거되면, 화소의 온도는 빠르게 떨 어지고 겔은 이전 크기로 다시 부풀며 잃어버렸던 물을 빨아들인다.

모양이 좀 더 가파른 기복으로 변하도록 하고 물이 새지 않도록 막기 위해, 겔은 플라스틱 막 아래에 봉인되었다.

이 시스템은 사람의 접촉으로 정보를 소통하는 촉각 디스플레이를 만드는데 이용될 수 있을 것이라고 리히터는 말한다. 그와 같은 디스 플레이는 맹인들을 위해 사용되거나, 로봇 수술 장비의 인터페이스 에 내장되어 로봇의 손가락 끝에 닿는 것을 외과의사가 느낄 수 있 도록 하는데 이용될 것이다. 이런 일이 실현되려면 겔의 반응온도를 낮추는 것과 같은 약간의 개선이 필요하지만, 연구팀의 시작품은 디 스플레이에 필요한 것들은 대부분 이미 할 수 있다. 또한, 리히터는 수 축하고 팽창하는 겔이 미세한 랩온어칩(lab-on-a-chip) 장치에 쓰 일 아주 작은 펌프와 밸브의 역할을 어떻게 할 수 있을지에 관해서도 연구하고 있다. “이번 연구는 최초로 집적복합표면을 설계, 엔지니어 링 및 최적화한 주목할 만한 시연이며 중요한 진전이다.”라고 런던 임 페리얼컬리지(Imperial College)의 폴리머마이크로 유체공학단 단 장인 조아오 카브랄(Joao Cabral)은 말한다.

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Advanced Materials, 2009)

인텔(Intel)과 Caltech 연구진은 초고밀도 데이터 저장에 사용될 수 있는 씌워진 탄소나노튜브로부터 만들어진 나노연필(nanopencil) 을 만들었다. 탐침은 예전에 만들어진 노출되거나 폴리머로 덮여진 나노튜브와는 달리 내마모성이 좋고 강유전성 박막 위에서 6.8 nm 만큼 작은 비트 크기로 데이터를 저장할 수 있다. 이것은 1 Tbit/inch² 만큼 큰 저장밀도를 가지도록 할 것이다.

탐침 기반 “자리찾기 및 주사(seek-and-scan)” 데이터 저장 시 스템은 초고밀도 비휘발성 메모리를 만드는데 이상적이다. 여기서 주 사 탐침이나 탐침 어레이는 매체에 데이터를 쓰거나 읽는다. 이 비트 크기는 탐침 팁의 크기에 의존하고 과학자들은 나노크기 팁이 강유

전체 박막의 극성을 부분적으로 반대로 할 수 있다는 사실을 최근 보 였고 나노미터만큼 작은 도메인 크기를 만든다.

그러나, 한 가지 난관이 있다. 그것은 실용적인 장치에서 탐침은 매 우 높은 속도(100 μm/s 이상)에서 밑에 있는 장치와 연결되는데 그 때 기존의 주사 탐침 팁(scanning probe tip)이 매우 빠르게 마모되 어서 해상도를 떨어뜨린다. 탄소나노튜브는 매우 강한 기계적 성질과 내마모 성질을 가지고 있어서 탐침으로서 이상적이다. 그러나, 탄소나 노튜브는 휘거나 뒤틀려지기 쉬워서 탐침 팁으로 사용이 제한된다.

연구진은 뛰어난 내마모 성질을 가진 유전체 물질인 실리콘 산화 물로 코팅된 탄소나노튜브 탐침을 만들었다. 연구진은 이 탄소나노튜 브가 일반적인 읽기/쓰기 조작동안 일반적으로 인가되는 5 nN 힘보 다 3배 더 큰 비틀림 힘을 견딜 수 있을 것이라고 판단했다. 이 수치 는 파릴렌(파라 크실렌에서 얻은 플라스틱)으로 코팅된 다중벽 탄소 나노튜브 탐침보다 14배 더 큰 값이다. 또한, 연구진은 PZT 박막 위 의 나노연필 마모율이 50 mm/s 스캔 속도에서 4.35×10³ nm/s 이 라는 것을 알 수 있었다. 이것은 나노연필이 읽기/쓰기를 할 수 있는 스캔 거리가 11 km보다 더 길다는 것을 의미한다. 이 수치는 일반 적인 데이터 저장 장치에서 요구되는 값을 초과한다.

과학자들에 따르면 나노튜브의 종횡비는 폴리머 코팅되거나 노출 된 나노튜브 탐침에서 보여준 휘거나 비틀려지는 문제들을 피하면서 나노튜브의 매우 작은 크기를 이용한다. 더 나아가 새로운 탐침은 강 유전체 박막 위에 6.8 nm 만큼 작은 비트 크기를 쓸 수 있다. 이것은 1 Tbit/inch² 만큼 큰 저장밀도를 가능하게 한다.

연구진은 전도성 AFM 팁 위에 단일 나노튜브나 한 묶음의 나노 튜브들을 부착시켜서 탐침을 만들었다. 그 후에 나노튜브 탐침 위에 실리콘 산화물을 균일하게 코팅시켰다. 마지막으로 다이아몬드 표면 위에 팁을 미끄러지게 해서 나노연필을 날카롭게 했다. 이 작업으로 일부 실리콘 산화물 코팅이 제거된다.

읽기/쓰기 조작에 나노연필을 사용하기 위해서 연구진은 강유전체 박막 표면과 접촉된 나노튜브 팁에 전기 펄스를 인가했다. 전기장은 한 개의 비트를 쓰기 위해서 박막의 작은 영역에서 분극 방향(polari- sation direction)으로 부분적으로 움직일 수 있다. 읽는 동안 AC 신 호가 팁에 인가되었다. 이것은 역압전효과(reverse piezo-electric effect)를 통해서 아래 있는 박막의 기계적 팽창과 수축을 유도한다.

역압전 반응의 상은 비트들의 지역적 분극 방향에 의존한다.

(Applied Physics Letters, September, 2008) 약물을 전달하는 매우 작은 나노입자 캡슐

펜실베니아 주립대학(Penn State University) 연구진은 병든 세 포에 약물을 전달할 수 있는 폴리머 층과 나노입자로 구성된 매우 작 은 입자 주입기(particle syringe)를 개발하였다. 이 전달 시스템은 다 양한 물질을 전달할 수 있을 정도로 충분히 강하고 플렉서블할 수 있다.

많은 사람들은 자신의 질병을 근심하기보다는 어떤 치료의 영향을 더 두려워한다고 연구진은 말했다. 약물들은 독이다. 치료는 암을 죽 이기 위해서 약물을 투여하는 것이지 환자에게 투여하는 것이 아니 다. 그래서 표적 치료는 매우 중요하다. 약물 전달을 위한 더 새로운 접근들은 특정 세포를 찾아서 이 세포에 약물이 방출되도록 하는 입 자들을 포함한다. 또 다른 접근은 입자들이 세포 속으로 들어가서 약