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< (왼쪽부터) 화학과 박건형 박사과정, 최윤석 박사, 윤동기 교수, 이창재 박사과정 >

우리 대학 화학과 윤동기 교수 연구팀이 카이랄(비대칭성) 액정 물질의 자발적 조립으로 위상학적 솔리톤의 형성을 규칙적으로 대면적에서 제어하고 형성과정을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다고 11일 밝혔다. 

솔리톤은 특정한 파동이 주변과 상호작용을 통해 사라지지 않고 계속 유지하는 현상을 말한다. 특히 파동이 멀리까지 전달될 때도 그 고유의 정보를 잃지 않고 끝까지 원하는 지점까지 도달하는 특성을 갖는다. 따라서, 최근 해킹에 자유로울 수 없는 디지털 사회에서 솔리톤은 고유의 높은 안정성으로 인해 미래 통신의 핵심이 되리란 기대가 크다. 더 나아가 유기 액정 분자를 이용해 만들어진 위상학적 솔리톤은 스핀(spin)이라는 특별한 방향성을 갖고 있기에 차세대 복제 방지 장치 및 메모리 소자로 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 

윤 교수팀은 특별히 이번 연구를 통해 지금까지는 상온과 같은 온화한 조건에서 실시간으로 관찰할 수 없었던 위상학적 솔리톤의 형성과정을 밝혔다. 이는 공기기둥으로 만들어진 한정된 공간에서의 자기조립 카이랄 액정 물질을 이용했기에 가능한 일이다. 

화학과 박건형 박사과정 학생, 서아람 박사가 제1 저자로 참여하고 같은 그룹 최윤석 박사, 이창재 박사과정이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스드 머터리얼스 (Advanced Materials)' 온라인판에 지난 6월 5일자에 게재되고, 7월호에 뒤 속표지로 선정될 예정이다. (논문명 : Fabrications of Topological Solitons Array in Patterned Chiral Liquid Crystals for Real-time Observation of Morphogenesis)

< 그림 1. 연구 모식도 >

< 그림 2. 액정을 이용한 위상학적 솔리톤 형성의 실시간 관찰 >

윤 교수팀은 이번 연구에서 기존에 널리 사용되는 액정영상표시장치(liquid crystal display; LCD)의 핵심 재료로 사용되는 일반형 액정분자가 아닌 카이랄(비대칭성) 액정 물질을 이용해 상온과 유사한 섭씨 30도 정도에서 위상학적 솔리톤 구조를 구현했다. 일반적으로 위상학적 솔리톤의 형성을 제어하기 위해서는 복잡한 장비가 필요하고, 이들의 형성되는 시간이 매우 짧아 형성과정에 관한 연구가 그동안 진행되지 못했다.

윤 교수팀은 카이랄 액정분자들의 이루는 위상학적 솔리톤의 규칙적 형성과 제어를 위해, 분자들을 수직 방향으로 세울 수 있는 수직 배향막과 공기기둥 조합을 정밀하게 조절했다. 자세히는 수직 배향막이 코팅된 수 마이크론(백만분의 1미터) 크기의 동그란 실리콘 물질 기반의 음각 패턴과 유리 기판을 준비하고 간격을 수 마이크론으로 조절해 카이랄 액정 물질을 주입했을 때 음각 패턴 위로 공기기둥이 자발적으로 형성하게 했다. 그 후 모든 기판에서 액정분자들이 수직으로 배향하게 되고 기판과 기판, 기판과 공기기둥 사이 부분에서는 어쩔 수 없이 규칙적으로 뒤틀림(distortion) 현상을 유발할 수밖에 없어 카이랄 분자체, 즉 위상학적 솔리톤이 형성될 수 있는 시스템을 개발했다. 

위상학적 솔리톤의 형성 및 제어에 있어 핵심은 등방상(isotropic) 온도(약 섭씨 40도)에서 액정상 온도(약 섭씨 30도)로 냉각시킬 때 공기기둥 근처에 있는 액정 물질이 유리 기판과 실리콘 패턴 부분 사이의 액정 물질보다 온도가 더 낮아 열적 상전이를 원하는 대로 규칙적으로 일어나게 제어하는 데 있다. 이는 뚝배기에 요리된 계란찜을 먹을 때 뜨거운 뚝배기 부분(실리콘 혹은 유리기판 부분)보다 공기에 노출되어 상대적으로 식은 부분(공기 기둥 근처)부터 떠먹는 일상생활의 지혜와 일맥상통한다. 

연구팀은 이렇게 자연스럽게 형성된 공기기둥에 의해 제어된 열적 상전이를 통해 위상학적 결함이 형성되고 결함이 있는 위치에서만 위상학적 솔리톤이 형성된다는 사실을 실시간 분석을 통해 규명했다. 이 분석기술은 전자기학의 스커미온 입자와 같은 다른 물리현상에서 발견되는 위상학적 솔리톤 형성의 해석 등 다양한 분야에서 응용될 수 있는 잠재성을 가진다.

< 그림 3. 규칙적으로 배열된 위상학적 솔리톤의 형성과정 중 스냅샷 >

윤동기 교수는 "일반적인 위상학적 솔리톤이 생성이나 소멸만 가능한 것으로 알려질 만큼 안정성이 높은데, 이번 연구 결과를 통해 솔리톤의 형성과정을 더욱 자세히 이해하고 정보를 저장하고 기록하는 등, 차세대 반도체 소자로 손꼽히는 스핀트로닉스 응용기술로써 사용될 수 있을 것ˮ이라고 견해를 밝혔다. 

한편 이번 연구는 콜로라도 대학 물리학과의 이반 스말륙((Ivan Smalyukh) 연구실과 공동연구로 진행됐으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 전략과제 등의 지원을 받아 수행됐다.