나노구조의 변화를 통해 실시간으로 색이나 모양을 나타낼 수 있는 기술이 개발됐다. 스스로 조립돼 스마트 고분자 입자 등 다양한 분야에서 사용될 것으로 기대된다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 구강희 교수팀은 자연 현상을 모방해 블록공중합체를 이용한 광결정 구조를 큰 면적에서 자기 조립화시키는 기술을 개발했다. 우리가 나비의 날개나 새의 깃털을 보는 것처럼 나노구조의 모양과 방향성을 실시간 반영해 시각화시킬 수 있는 것이다.
블록공중합체는 두 개 이상의 다른 단량체(monomer)가 블록 모양으로 공유결합한 형태다. 연구팀은 액체 방울 안에서 서로 섞이지 않는 액체와 블록공중합체를 활용해 상분리를 촉진시켰다.
그림1. 에멀젼 내 상분리법을 통한 아이스크림 모양의 광학 입자 제조 및 모양 제어
구강희 교수는 “외부 조작 없이 자발적으로 조직화되는 블록공중합체의 자기조립을 통해 수백 개의 결함이 없는 광결정 구조를 만들어냈다”고 전했다.
이 기술은 기존의 방식과는 달리 내부 나노구조를 이용해 색을 만들어 낸다. 빛이 퇴색하지 않으면서 선명하고 지속 가능하다. 대면적으로 패턴화할 수 있어 디스플레이 기술에 적용 가능성 또한 크게 향상시켰다.
개발된 기술은 외부 환경의 변화에 따라 입자 내부에 형성되는 미세구조 크기를 바꿀 수 있는 고분자를 이용한다. 상태가 바뀌어도 본래대로 돌아갈 수 있는 폴리스타이렌–폴리바이닐피리딘(PS-b-P2VP) 블록공중합체의 특징을 이용해 입자의 구조, 모양, 색상을 조정한다.
연구팀은 실시간으로 구조가 변하는 것을 모니터링했다. 알코올 농도나 pH 값의 변화에 따라 미세나노 구조의 크기가 변하며 색상이 바뀌는 것을 확인했다.
그림2. 블록공중합체 광결정 구조 크기 제어를 통한 가역적인 구조색 구현
특히 개발된 기술을 통해 만들어진 입자는 고체와 액체가 결합된 ‘콘 아이스크림’ 모양의 구조를 가진다. 이를 통해 유체의 진동을 시각화하고 외부 자극에 따라 모양과 색을 바꿀 수 있다.
구강희 교수는 “이번 연구를 통해 일반적으로 콜로이드 결정의 구조와 패턴형성을 위해 필요했던 복잡한 공정 조건 없이도 스스로 조립되는 광학 입자를 만들어 낼 수 있게 됐다”며 “스마트 도료와 고분자 입자의 다양한 분야에서 실질적인 응용이 가능할 것”이라고 기대했다.
이 연구는 나노과학 분야의 저명한 학술지 ACS Nano에 2월 2일 온라인 게재됐다. 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)과 한국도레이과학진흥재단의 지원을 받아 진행됐다.
