정보통신대학 송장근 교수(교신저자), 심전자 박사, 홍승호 박사 (이상 공동 제1저자)등은 대표적 2차원 물질인 산화그래핀* 입자들이 녹아있는 용액상태의 콜로이드**에서 산화그래핀 입자들간 간격을 규칙적으로 조절하는 방법으로 광결정(photonic crystal)*** 현상을 발생시키고, 그 원리 규명과 더불어 광결정을 정밀하게 조절하는 방법을 발표했다. 이러한 2차원 재료의 콜로이드를 이용한 광결정 현상은 유연 전자종이 디스플레이나 색을 조절할 수 있는 도료 등에 응용할 수 있다.

*산화그래핀 입자: 판상 형태의 그래핀을 산화시켜 표면에 산소를 포함하는 화학그룹들이 붙어있는 2차원 물질. 원자 1개 수준의 두께인 1 나노미터 수준의 두께를 가지고 작게는 수십 나노미터에서 크게는 수십 마이크로미터까지 직경을 가지고 있음.
**콜로이드: 분자나 이온보다 큰 입자들이 물이나 유기 용매와 같은 액체에 분산되어 있는 물질.
***광결정(photonic crystal): 물질의 규칙적인 배열을 이용하여 빛의 반사와 진행방향을 변조할 수 있는 물질. 자연계에도 딱정벌레 날개, 몰프나비 날개, 오팔 보석 등에서 아름다운 색이 발형하는 원리도 광결정 현상에 의한 것임.

연구팀은 산화그래핀 수분산 콜로이드를 이용하여 제1차 Bragg 반사 뿐 아니라 제2차 Bragg 반사영역까지 구현함으로써, 전체 가시광 영역에서 아름다운 광결정 구조색을 자유롭게 구현했다. 이러한 구조색을 나타내기 위해서는 콜로이드 내에 분산되어 있는 산화그래핀 입자간 거리가 매우 규칙적으로 분포되어 있어야 하지만, 산화그래핀 입자는 크기가 매우 다양하고 얇아 쉽게 휠 수 있어, 수백 나노미터 간격으로 규칙적으로 배열되어 있는 원인을 명확히 알기 어려웠다. 연구팀에서는 콜로이드 내의 산화 그래핀 입자들이 배열되는 것을 레이저형광공초점현미경을 사용해 직접 관찰함으로써 입자간 전기적 반발력에 의해 부분적으로 규칙적인 적층이 되어 있으나, 층상 구조를 형성하지는 않는다는 것을 발견했다. 광결정 현상을 나타내기 위해서는 입자들이 여러 층을 이루고 그 층들 간 간격이 일정하게 형성된 층상 액정상(lamellar mesophase*)을 가져야 할 것이라는 종래의 주장들과 달리, 층 구조를 이루지 않고도 일반 네마틱(nematic) 배열을 가지는 상태에서도 뛰어난 광결정 특성을 나타낼 수 있음을 입증했다.

* Lamellar mesophase: 액정상의 한 종류로, 분자(혹은 입자)들이 층을 형성하고 층들이 일정한 간격으로 배열되어 있는 특징이 있다.
** nematic 액정: 액정상의 한 종류로 입자들이 방향적인 배열 특성만을 가지고 있다.

연구팀은 2차원 입자들의 콜로이드를 이용한 응용성을 연구하기 위해 광결정을 조절할 수 있는 방법을 연구했고 입자 주변의 이온층의 두께를 조절하여 입자간 간격을 조절하는 상향식(Bottom-up) 조절 기술과 외부력을 이용해 산화그래핀 표면의 주름과 배열의 변형을 펴줌으로써 구조색을 조절하는 하향식(Top-down) 조절 방식을 시연했다.

다양한 색을 가지는 콜로이드를 적층하거나 혼합하는 방식으로 컬러 이미지를 그릴 수 있음을 시연함으로써, 2차원 콜로이드 광결정 재료를 이용해 반사 디스플레이 같은 광학 소자에 응용하거나 색변조가 가능한 기

능성 도료와 같은 잠재적인 응용성이 있음을 보여주었다.

이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 소재기술 프로그램의 지원으로 이루어졌다. 향후 추가 연구를 통해 저전력 유연 전자종이 디스플레이 개발을 목표로 하고 있다.

연구 결과는 Nature 자매지인 NPG Asia Materials 온라인판에 8월 12일자로 게재되었다. 동 학술지의 '최신연구요약(Latest Research Summaries)'란에 '산화그래핀: 광격자 그림판 실현 (Graphene oxide: crafting a photonic paintbrush)'라는 제목으로 주목받고 있다.

▲ 산화 그래핀 수용액에서 산화 그래핀 농도에 따른 반사되는 색특성 변화 및 그에 따른 층간 간격(d)

▲ 동결 건조 방법에 의해 생성된 산화 그래핀 수용액의 표면 형태를 주사전자 현미경으로 관측한 결과

▲ 산화 그래핀 수용액이 가지는 색반사를 이용한 다양한 그림들