새로운 투명 절연체 - 고효율 디스플레이 가능할지도

 

새로운 투명 절연체 - 고효율 디스플레이 가능할지도

 

 

존스 홉킨스 대학교 (Johns Hopkins) 연구팀이 전기 전도체로 알려져 있던 물질의 새로운 용도를 발견해냈다. 이 물질을 기존과는 다른, 새로운 방향으로 배열함으로써 전기 전도체가 아닌 박막 절연체 (thin film insulator)로 만드는데 성공한 것이다. 전기를 통과시키는 대신에 전기의 흐름을 막고 대신 다른 쪽에 전기의 흐름이 일어나도록 유도 (induce)하게 된다. 용액 석출형 베타 알루미나 (solution-deposited beta-alumina)라는 이 소재는 트랜지스터 기술에 여러 응용 가능성을 가지고 있고 전자책 (electronic books)등의 기기에 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 연구결과는 Nature Materials지 11월 이슈에 발표되었고 온라인 판에도 발표되었다.

 

 

연구를 주도한 재료공학과의 Howard E. Katz 교수는 이 소재가 여러 가지 유용한 특징을 가지고 있다면서 우선 액체 형태로 만들어지지만 가열하면 투명 박막이 되기 때문에 전자 회로 기판에 쉽게 정확한 형태로 도포하는 것이 가능하다는 장점이 있다고 밝혔다. 다음으로 낮은 전압에서도 작동 가능하기 때문에 작은 출력 (power)으로도 전류를 유도시키는 것이 가능하다고 한다. 즉, 이 소재로 만든 장비는 더 작은 배터리를 사용해서 동작시키거나 또는 가정용 전원을 연결하는 대신 배터리를 사용하는 것이 가능하다는 의미이다.

 

 

완성된 박막은 투명한데다가 원자 100개 정도의 두께 밖에 안될 정도로 얇기 때문에 수요가 계속 늘어나고 있는 전자책 단말기 (e-book reader)에 이상적인 소재가 될 것으로 보인다. 전자책 단말기는 투명 스크린이 필요한데다가 소형 배터리를 사용해야 하기 때문이다. Katz교수는 비행기나 자동차의 유리창에서 필요한 정보가 나타나게 하는 등 이동 수단에서도 응용을 찾을 수 있을 것이라고 덧붙였다.

 

 

이 소재가 절연체로 사용될 수 있다는 것이 발견된 것은 꽤나 놀라운 일인데, 그것은 이 소재가 오랫동안 도전체로 사용되었으며, 이로 인해서 배터리 소재로 사용되는 것도 고려되었을 정도이기 때문이다. 이 소재는 결정 구조 내에 형성된 이차원 평면에 평행한 방향으로는 쉽게 전하를 통과시킨다. 하지만 Katz 교수팀의 연구결과에 의하면 이 평면에 수직 방향 이거나 또는 정렬이 이루어지지 않은 상태에서는 전류가 흐르지 못한다. 이 현상은 처음으로 발견된 것이라고 한다. 연구팀은 이 소재를 박막으로 만드는 방법도 개발했으며, 존스 홉킨스 기술 이전 부서 (Johns Hopkins Technology Transfer staff)와 함께 국제 특허도 출원했다. 연구 자금은 미국 에너지성, 공군 및 미국 과학 재단에 의해 이루어졌다.

 

 

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New Transparent Insulating Film Could Enable Energy-Efficient Displays

 

 

In his Johns Hopkins materials science lab, Howard E. Katz adjusts probes used for testing electronic devices. (Credit: Photo by Will Kirk, Homewoodphoto.jhu.edu.)

 

ScienceDaily (Nov. 9, 2009) — Johns Hopkins materials scientists have found a new use for a chemical compound that has traditionally been viewed as an electrical conductor, a substance that allows electricity to flow through it. By orienting the compound in a different way, the researchers have turned it into a thin film insulator, which instead blocks the flow of electricity, but can induce large electric currents elsewhere. The material, called solution-deposited beta-alumina, could have important applications in transistor technology and in devices such as electronic books.

The discovery is described in the November issue of the journal Nature Materials and appears in an early online edition.

"This form of sodium beta-alumina has some very useful characteristics," said Howard E. Katz, a professor of materials science and engineering who supervised the research team. "The material is produced in a liquid state, which means it can easily be deposited onto a surface in a precise pattern for the formation of printed circuits. But when it's heated, it forms a solid, thin transparent film. In addition, it allows us to operate at low voltages, meaning it requires less power to induce useful current. That means its applications could operate with smaller batteries or be connected to a battery instead of a wall outlet."

The transparency and thinness of the material (the hardened film is only on the order of 100 atoms thick) make it ideal for use in the increasingly popular e-book readers, which rely on see-through screens and portable power sources, Katz said. He added that possible transportation applications include instrument readouts that can be displayed in the windshield of an aircraft or a ground vehicle.

The emergence of sodium beta-alumina as an insulator was a surprising development, Katz said. The compound, known for decades, has traditionally been used to conduct electricity and for this reason has been considered as a possible battery component. The material allows charged particles to flow easily parallel to a two-dimensional plane formed within its distinct atomic crystalline arrangement. "But we found that current does not flow nearly as easily perpendicular to the planes, or in unoriented material," Katz said. "The material acts as an insulator instead of a conductor. Our team was the first to exploit this discovery."

The Johns Hopkins researchers developed a method of processing sodium beta-alumina in a way that makes use of this insulation behavior occurring in the form of a thin film. Working with the Johns Hopkins Technology Transfer staff, Katz's team has filed for international patent protection for their discovery.

The lead author of the Nature Materials paper was Bhola N. Pal, who was a postdoctoral fellow in Katz's laboratory. In addition to Katz, who is chair of the Department of Materials Science and Engineering in the university's Whiting School of Engineering, the co-authors were Bal Mukund Dhar, a current doctoral student in the lab, and Kevin C. See, who recently completed his doctoral studies under Katz.

Funding for the research was provided by the U.S. Department of Energy, the U.S. Air Force Office of Scientific Research and the National Science Foundation.

 

 

Source : KISTI, sciencedaily.com