Small에 게재된 표지 이미지. ZnS:Cu-PDMS 복합체의 미케노발광은 가벼운 누름과 같은 기계적 변형만으로도 발생되는 마찰전기를 통해 ZnS:Cu가 전계발광됨으로써 발생됨을 보여주고 있다. (자료제공: DGIST)

대구경북과학기술원(DGIST, 총장 이건우)는 에너지환경연구부 정순문 박사 연구팀이 나노기술연구부 임성준 박사팀, 국민대학교 응용화학부 김영훈 교수팀과 공동연구를 통해 배터리 없이도 빛나는 친환경 에너지 기반 소프트 미케노발광 복합체의 원리를 규명했다고 지난달 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. 기존의 미케노발광 소자의 발광을 유발하기 위해서는 상당한 압력이 가해져야 했을 뿐만 아니라, 반복적인 발광을 위해서는 자외선 또는 청색광을 이용한 에너지 공급과 같은 추가적인 처리가 반드시 필요했다.

이에 연구팀은 지난 2013년 투명 실리콘고무와 발광체를 기반으로 하여 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 활용 될 수 있음을 제시했다. 이후 10여년 동안 학계에서 다양한 응용처에 접목시키려는 노력이 진행되어 왔으나 발광원인이 확실하게 규명되지 않아 새로운 재료의 개발 및 응용기술을 발전시키기에 한계가 있었다.

이에 본 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 파악하게 되었고, 이를 실험과 시뮬레이션을 통해 입증했다. 이를 바탕으로, 새로운 계면마찰전기 기반 교류전계발광 모델을 제안하여 미케노발광 현상을 규명했다.

에너지환경연구부의 정순문 박사는 “기존에 발표한 연구결과의 최종원리규명을 마무리 지은 것에 큰 의의를 두고 있다”며 “이러한 원인규명을 통해 추후 더 적은 힘으로 더 밝은 미케노발광 복합체의 개발이 가능하게 되고 최종적으로는 미케노발광의 새로운 응용분야창출을 통해 해당분야의 활성화에 기여가 되었기를 바란다”고 말했다.

연구 결과는 재료공학 국제학술지인 ‘Small’에 표지 논문으로 4월 25일자에 게재됐다.