대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지환경연구부 정순문 박사 연구팀이 나노기술연구부 임성준 박사팀, 국민대학교 응용화학부 김영훈 교수팀과 공동연구를 통해 배터리 없이도 빛나는 친환경 에너지 기반 소프트 미케노발광 복합체의 원리를 규명했다고 13일 밝혔다 광학 센서, 인공 피부, 디스플레이 등 다양한 분야에서 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
미케노발광 소자는 압력이나 기계적인 변형에 의해 발광하는 재료로, 압력이나 외부의 기계적인 변형에 반응하여 빛을 내는 재료를 의미한다. 기존 미케노발광 소자의 발광을 유발하기 위해서는 상당한 압력이 가해져야 했고, 반복적 발광을 위해 자외선이나 청색광을 이용한 에너지 공급과 같은 추가적인 처리가 반드시 필요했다.
연구팀은 지난 2013년 투명 실리콘고무와 발광체를 기반으로 소프트하면서도(부드러우면서도) 강한 미케노발광을 발생시키는 복합체를 학계에 보고한 바 있다. 특히 소프트 미케노발광 복합체는 미세한 압력이나 기계적인 변형에도 밝은 빛을 발생시킬 수 있으며, 전처리 과정 없이도 지속적으로 광을 생성할 수 있는 특징을 가져 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있음을 제시했다. 이후 10여년 동안 학계에서 다양한 응용처에 접목시키려는 노력이 진행돼 왔으나 발광원인이 확실하게 규명되지 않아 새로운 재료의 개발·응용기술을 발전시키기에 한계가 있었다.
이에 연구팀은 소프트 미케노발광 복합체의 원리를 밝히기 위해 형광체에 대해 다양한 분석을 수행했다. 그 결과 형광체 외부에 비정질 산화알루미늄이 코팅된 경우 강한 미케노발광이 나타나는 것을 관측했다. 이 산화알루미늄이 유연한 투명 실리콘 고무와 마찰을 통해 강한 전기를 발생시키고, 그 전기가 황화아연 발광입자를 활성화시킨다는 사실을 밝혀냈다.
실험에서는 산화실리콘, 산화마그네슘 코팅, 폴리우레탄 고분자를 사용해 마찰전기의 크기를 조절했다. 그 결과, 마찰전기의 크기와 미케노발광의 밝기가 관련되어 있다는 것을 파악했고, 이를 실험과 시뮬레이션을 통해 입증했다. 이를 바탕으로 새로운 계면마찰전기 기반 교류전계발광 모델을 제안해 미케노발광 현상을 규명했다.
정순문 박사는 “향후 적은 힘으로 더 밝은 미케노발광 복합체 개발이 가능하게 되고 최종적으로는 미케노발광을 응용할 수 있는 다양한 분야를 발굴할 계획”이라고 말했다.
이번 연구는 DGIST 이규동 박사가 제1저자로, 국민대 김영훈 교수와 DGIST 임성준·정순문 박사가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 최근 재료공학 국제학술지인 '스몰(Small)'에 표지 논문으로 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
