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LG디스플레이-서울대학교-포항공과대학교 공동연구팀, 세계 최초 거울 대칭 금 나노 기하 구조 합성

“세계 최초” 새로운 혁신과 패러다임을 제시하기 위해 밤낮으로 연구하는 이들에겐 언제 들어도 가슴 설레는 이야기입니다. LG디스플레이는 산학협력의 일환으로 국내 유수의 대학과 협력해 디스플레이 산업과 관련한 다양한 주제의 연구를 진행하고 있는데요. 최근 서울대학교, 포항공과대학교, LG디스플레이 연구소로 구성된 공동연구팀은 ‘거울 대칭 금 나노 기하 구조’를 세계 최초로 구현했다는 소식을 발표했습니다. 이번 연구는 해당 분야에 새로운 패러다임을 제시했다는 평가를 받고 있는데요. 과연 어떤 소식인지 함께 자세히 확인해보시죠!

 

생체 분자 펩타이드를 무기 결정 합성에 이용, 독특한 기하 구조의 금 나노입자 구현

오른손과 왼손의 모습은 비슷해 보이지만 왼손 용 야구 글러브를 오른손에 착용할 수 없는 것처럼, 서로 거울 대칭상이지만 겹쳐지지 않는 특성을 ‘거울상 이성질’ 또는 ‘카이랄성’이라고 합니다. 단백질의 기본 구조인 아미노산을 포함해 생명 현상에 관여하는 모든 분자는 카이랄 구조로 이루어져 있습니다.

카이랄 구조 재료는 독특한 기하 구조에서 비롯되는 구조 선택성 및 광 제어 특성이 있어, 촉매 재료·광학 재료·센싱 플랫폼 개발을 포함 광범위한 분야에서 차세대 핵심 재료로 주목받아왔습니다. 특히 색을 정교하게 제어하면서 잘 휘어지는 초박막 디스플레이나 센서를 만들 때 꼭 필요한 특징인데요. 오랫동안 이러한 구조를 만들고자 하는 시도가 있었지만 이런 구조의 금속은 공정의 복잡성과 재료의 안정성 측면에서 문제점이 많아 난제로 여겨져왔습니다.

 

거울상 대칭 펩타이드를 이용하여 합성된 거울상 대칭의 약 100 나노 크기의 금속 나노 입자 (이미지 출처: 서울대학교)
▲ 거울상 대칭 펩타이드를 이용하여 합성된 거울상 대칭의 약 100 나노 크기의 금속 나노 입자
(이미지 출처: 서울대학교)

공동연구팀은 문제 해결을 위한 돌파구로 거울상 구조를 포함하는 생체 분자 펩타이드를 무기 결정 합성에 이용, 독특한 기하 구조의 금 나노입자를 구현해냈습니다. 연구팀이 개발한 입자는 한 변이 약 100 nm 인 정육면체의 각 면에 시계 또는 반시계 방향으로 뒤틀린 구조체가 존재하는 새로운 형태의 나노 입자인데요. 연구팀은 회전하는 빛에 대한 반응성 측정을 통해 이 나노입자가 거대한 카이랄성을 지닌 구조(생체 분자 단백질의 약 100배)임을 입증했습니다. 또한, 이 나노입자의 거대 카이랄성이 가시광 영역대에 존재한다는 사실에 주목, 카이랄 구조 고유의 편광 제어 특성을 이용하는 광학 실험을 통해 다양한 색채를 구현하는 데에도 성공했습니다.

 

공동연구팀의 연구 내용이 게재된 학술지 네이처(Nature) 556호 (이미지 출처: Nature 웹사이트)
▲ 공동연구팀의 연구 내용이 게재된 학술지 네이처(Nature) 556호 (이미지 출처: Nature 웹사이트)

이번 연구 결과는 과학적 중요성을 인정받아 2018년 4월 19일 세계 최고 권위의 학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐고 표지논문으로도 선정되었습니다. 또한, 영향력이 큰 연구결과를 선정해 관련 분야 세계적인 과학자가 자세하게 논문의 의미와 가치 등을 설명하는 ‘News & Views’ 섹션에도 소개되었습니다.

 

참고 기사

Nature: Particle reflection – Volume 556 Issue 7701, 19 April 2018

Peptides used to make light-twisting nanoparticles

 

초박막 형태의 디스플레이 장치 제작에 응용될 것으로 기대

공동연구팀 사진. 우측 위부터 반시계방향으로 서울대 남기태 교수, 포항공대 노준석 교수, 서울대 박사과정 안효용 (제1저자), 서울대 이혜은 박사 (제1저자) (이미지 출처: 서울대학교)
▲ 공동연구팀 사진. 우측 위부터 반시계방향으로 서울대 남기태 교수, 포항공대 노준석 교수, 서울대 박사과정 안효용 (제1저자), 서울대 이혜은 박사 (제1저자) (이미지 출처: 서울대학교)

이번 연구는 펩타이드 서열과 그에 따른 구조 및 카이랄성이 그대로 무기 재료 표면에 반영될 수 있음을 최초로 발견함으로써, 생체 분자를 이용한 재료 합성의 새로운 패러다임을 열었다는 평가를 받고 있습니다.  연구팀이 개발한 합성법은 다양한 재료로의 확장 및 일반화가 용이함에 따라, 나노 재료 합성 분야의 원천 기술을 확보했다는 점에서도 큰 의미가 있는데요.

이번 연구에서 개발된 나노 입자는 차세대 디스플레이 재료로서 유연성을 가지는 초박막 형태의 디스플레이 장치 제작에 응용될 것으로 기대되고 있습니다. 그뿐만 아니라, 거울상 기하 구조체는 광회전 선택성을 가지고 있어 이후 편광제어 광소자, 구조색, 음의 굴절률 소재, 투명망토 및 바이오센싱 등의 분야에서 핵심 기술이 될 가능성을 가지고 있습니다.

 

창의적 연구와 원천기술까지 확보한 산학협력의 성공적인 사례

이번 연구는 산학협력의 결과로서도 큰 의미가 있습니다. 연구를 지원한 LG디스플레이는 지난 2015년부터 미래기술 발굴을 위한 산학 프로그램인 ‘LG디스플레이-SNU 인큐베이션 프로그램을 운영해오고 있습니다. 이에 대해 LG디스플레이의 CTO(최고기술책임자) 강인병 부사장은 “이번 사례는 학계와 산업체 간의 긴밀한 공동연구를 통해 창의적 기초 연구를 비롯해 원천기술까지 확보한 산학협력의 성공적인 사례”라며, “LG디스플레이는 앞으로도 서울대 및 포항공대와의 긴밀한 협력을 통해 인큐베이션 프로그램이 차세대 디스플레이 연구의 중요한 밑거름이 될 수 있도록 공동의 노력을 다해나갈 것”이라고 말했습니다.

 

관련 포스팅

“LG디스플레이는 수평적 산학협력 실현” LG디스플레이 산학협력센터장 박종래 서울대 교수 인터뷰

 

생체 분자의 기하 구조 모사를 통해 에너지 환경 촉매, 광 기반 커뮤니케이션, 홀로그램 등으로 이용될 수 있어 다양한 산업에 큰 파급력을 미칠 것으로 보이는 이번 연구. 앞으로 과연 얼마나 큰 학문적 깊이를 더해주고 디스플레이 산업에 큰 영향을 미칠지 그 귀추가 주목됩니다! 앞으로도 새로운 발견과 연구를 이어나갈 연구팀과 LG디스플레이에 많은 기대와 관심 부탁드립니다.

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