3차원 액정

 

최근 캠브리지대(University of Cambridge) 광학 연구 그룹 팀의 윌킨슨(Tim 

Wilkinson) 박사 연구진은 수직으로 성장된 탄소 나노튜브(carbon nanotubes)와 액

정(liquid crystals)을 결합하여 구조 변경이 가능한 3차원 액정 장치를 제조할 수 있

었다. 이러한 시스템은 액정에서 분자를 조절하기 위한 새로운 방식을 제공하여 결

정이 다양한 방향으로 움직이게 만듦으로써 렌즈렛(lenslet) 어레이와 같은 광학 요

소를 제조하는데 사용될 수 있다. 물론 이러한 기술이 아직은 초기 단계에 머물고 있

지만, 최근 연구 결과들에 따르면 시력 검사에 사용되는 웨이브프론트 센서

(wavefront sensors), 디지털 비디오 카메라, 광학 확산기, 헤드업 디스플레이 장치

와 같은 광학 시스템에서 활용될 것으로 예측되고 있다. 

 

액정 분자가 광학 활성 픽셀을 형성하는 셀에 투입되면 자연적으로 정렬된 형태를 

갖추게 된다. 디스플레이 장치에서 액정 픽셀은 액정을 통과하는 빛의 편극

(polarization)을 변화시키게 되며, 변화의 정도는 셀의 상부와 하부의 전극에 가해

지는 전압으로 통해 나타난다. 가해진 전압은 액정 분자를 셀에서 회전시키며, 셀을 

통과한 빛에 대한 배향을 변화시키게 된다. 이러한 셀 기하 형태는 빛이 액정 분자

와 상호작용하는 방식을 2차원 평면으로 국한시키게 된다. 따라서, 만약 하부의 전극

에 3차원 요소를 첨가할 수 있다면, 전압이 액정 분자와 상호작용하는 방식을 3차원

으로 변화시킬 수 있다. 간단한 예는 얇은 전도성 막대가 하부 전극에 첨가되어 액

정 물질에서 작은 마이크로렌즈를 형성하는 가우시안 전기장(Gaussian electric 

field)이 생성되는 것이다. 보다 많은 막대를 이용하면 가해진 전압에 따라 변화되는 

초점 길이를 갖는 마이크로 렌즈 어레이를 제조할 수 있다. 이와 같이 구조가 변경

된 어레이는 광학 시스템 및 3차원 홀로그램 디스플레이(3D holographic displays)

에 활용될 수 있다. 

 

연구진의 이번 결과는 정립된 액정과 나노테크놀러지 기술을 결합하여 새로운 하이

브리드 장치를 제조한 것으로 평가할 수 있다. 액정은 3차원 전극 구조로 작동하는 

수직 성장 다중벽 탄소 나노튜브를 이용하여 구조 변경이 가능한 광학 모듈레이터

로 제조될 수 있다. 전통적으로 액정 장치는 픽셀 전극이 액정의 상부 및 하부에 존

재하여 간단한 방식으로 스위칭된다. 하이브리드 장치에서 하부 전극은 실리콘 표면

에서 돌출된 다중벽 탄소 나노튜브이다. 또한 이러한 구조는 액정 층에서 보다 복잡

한 3차원 굴절률을 형성하여 보다 복잡한 전기장을 생성하게 된다. 따라서, 매우 간

단한 장치구조와 그 장치를 스위칭하기 위한 인가전압을 이용하여 매우 복잡한 광

학 요소를 만들 수 있다. 

 

전형적인 예는 하부전극 표면에 있는 다중벽탄소나노튜브들이 모두 연결되어 동일

한 전압으로 스위칭될 때이다. 이에 따라 다중벽 탄소 나노튜브를 둘러싼 전기장은 

액정 층에서 가우시안 굴절률을 형성하는 가우시안 형상을 갖게 된다. 이러한 시스

템은 각각의 다중벽 탄소 나노튜브에 중심이 잡혀 있는 작은 렌즈처럼 보인다. 한

편, 탄소 나노튜브에 가해진 전압을 변화시킴으로써 마이크로 렌즈의 작동이 스위칭

될 수 있으며, 또한 초점 길이가 변화될 수도 있다. 자체적으로 렌즈의 초점을 맞추

는 것이 중요한 적응 광학 시스템 혹은 헤드업 디스플레이에서 활성 확산체로 개발

된 기술은 활용될 수도 있다. 

 

[그림] 진공에서 다중벽 탄소 나노튜브를 둘러싼 전기장에 대한 시뮬레이션. 

 

http://www.physorg.com/

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-01-19