물리학 공부하는 사람

"Bidirectional rotation control of a carbon fiber in nematic liquid crystal using AC electric field", Jun-Yong Lee, Jeong-Seon Yu, and Jong-Hyun Kim*, Sci. Rep. 10 (2020) 18650

요약하자면

네마틱 액정과 사용한 입자 (carbon fiber)의 대칭성 깨짐으로 부터, 전기장을 인가하여 시계 방향과 반시계 방향의 양방향 제어를 가능하게 한 연구이다.  양의 굴절률 이방성을 갖는 액정은 전기장을 인가하면 액정 director의 장축이 전기장과 나란한 방향으로 정렬하려는 성질을 갖는다. 이 때, 전기장을 인가하기 전의 director의 방향 (rubbidng direction or ground state)과 전기장이 완전히 수직하다면, director가 전기장과 나란해지기 위해 회전하는 방향은 시계 방향과 반시계 방향 중 무작위적으로 정해질 것이다. 따라서, 우리는 cell을 제작함에 있어 in-plane 전기장 방향에 대해 완전히 수직한 것이 아니라 약간의 각도가 있는 rubbing direction을 갖고 cell을 제작했다. 여기에 더해, 원래의 carbon fiber는 균일한 액정 내에서 전기장과 완전히 나란한 방향으로 정렬하지만, shape의 imperfection이 있는 carbon fiber의 경우에는 초기 stable orientation이 틀어 지게 된다. 이 각도가 rubbing direction과 반대 방향으로 비스듬하게 기울어진 carbon fiber에 대해 실험을 진행했다. 전기장을 인가할 경우, 액정은 전기장 방향으로 회전하는데 이 때 rubbing direction이 기울어진 방향으로 회전하며, 액정이 회전한 만큼 carbon fiber 역시 그 방향으로 회전하는 torque를 받는다. 반대로, carbon fiber는 전기장과 나란히 늘어서려하기 때문에 액정과의 상호작용과는 반대 방향의 torque를 작용 받는다. 어떤 상호작용이 dominantly 작용하는지에 따라 회전 방향을 결정할 수 있다.

소감

두 번 째 SCI(E)급 논문이다. 이것저것 실험해보다가 이상한 현상이 발견돼서 추가적으로 검증하다가 진행해본 실험이다. 실험에 관한 data를 먼저 잔뜩 쌓아놓고 관련된 이론들을 찾으면서 해석을 하는 경우가 많은데, 이 경우는 system을 구상하는 단계에서부터 이론적인 부분을 먼저 구축해놓고 실험적으로 검증하는 방식으로 진행됐다. 내가 짠 식과 실험 결과가 잘 일치할 때의 짜릿함은 이루 말할 수 없다. 약간의 아쉬움이라면 bidirectional controllability를 앞세워서 scientific reports에 내기 보다는, sysmmetry-borken system의 bistability라는 관점에 집중하여 다른 data를 보충해서 APS 쪽 journal을 노려봤으면 어땠을까하는 아쉬움이 지금은 좀 남는다. 앞선 2019년 논문에 대해서 언급할 때도 그랬지만, 당시에는 대학원 생활 기간에 비해 내가 내놓은 결과가 터무니 없이 적었기에 너무 성급하게 투고할 journal을 결정한 것 같은 아쉬움이 든다. 앞으로 잘 하자 앞으로.

이번에도 revision 과정이 순탄치는 않았다. referee는 두 분이었고, 두 분 다 액정물리 쪽에 해박하신 분들이었다. 공격 많이 받을 것은 처음부터 예상하고 submission을 한다고는 하지만 그래도 거침 없이 써있는 비판을 보고 있자면 눈물이 핑 돌기도 한다. 답변서 받은 당일은 하루 우울해있어도 된다고 생각하고 제쳐두고, 다음날부터 아마 차근차근 response letter를 준비했던 것 같다.

하면서

이 때, 내가 프로그램에 대한 역량이 많이 부족한 것을 느꼈다. 앞선 19년도의 논문 때의 simulation에서는 경로에 무관하게 변수만 바꾸어주면서 계산 값을 뽑으면 되는 것과는 다르게, 이 연구에선 경로 의존적 결과를 뽑아 냈어야 했는데, 지금 와서 생각해보면 별로 어렵지도 않은 것이 프로그램 얼마 다뤄보지도 않았던 나에게는 지옥과도 같은 시간이었다. 그리고 영어.... 항상 문제가 되는 건 영어가 아닌가 싶다.

20년 말에 이 논문이 published 됐으니까 이로부터 얼마 지나지 않아 코시국이 시작된 것 같다. 벌써 시간이 이렇게 되다니..

"Analogue Orientation Control of a Carbon Fibre in a Nematic Liquid Crystal", Jun-Yong Lee, Bohdan Lev, and Jong-Hyun Kim*, Sci. Rep. 9, 20223 (2019). 

요약하자면

제목 그대로 네마틱 액정을 이용하여 절제된 모양을 갖는 carbon fiber의 방향을 제어하는 것에 관한 연구이다. 실험에 사용된 carbon fiber들은 길쭉한 모양을 갖고 있는데 네마틱 액정과의 상호작용에서 기본적으로 director와 나란한 방향으로 배열하려는 특성을 갖고 있다 (어찌보면 당연한). 또한, carbon fiber를 따로 떼어놓고 보았을 때 전기장이 인가되면 길쭉한 방향이 전기장과 나란한 방향으로 배열하려는 특성 또한 갖고 있다. 이 때, 음의 굴절률 이방성을 갖는 네마틱 액정에 carbon fiber들을 분산시킨 후 uniformly aligned cell에 mixture를 주입하면, 전기장이 인가되어있지 않은 최초의 상태에서는 carbon fiber가 director와 나란하게 배열하지만 director에 대해 수직한 방향으로 전기장을 인가하게 되면 director는 (음의 굴절률 이방성을 갖고있음으로) 원래의 배열을 유지하려하고 (이것은 또한 carbon fiber가 회전하는 것을 막으려 함), 반대로 carbon fiber들은 전기장 방향으로 재배열하려하기 때문에 두 효과가 경쟁 관계에 놓인다. 따라서 전기장의 세기를 조절함으로써 연속적/반복적/가역적인 carbon fiber의 제어가 가능하다. 나아가 이를 이론적으로 분석했고 길이나 전기장 세기 등에 따른 dynamics를 조사했다.

소감

2016년/2018년에 각각 석사/박사 과정을 시작하여 대학원 과정 도합 4년 차에 처음 출간한 SCI(E)급 논문. SCI급 논문을 쓰는 것만이 중요한 과제는 아니지만 사실 마음 고생 많이 했다. 같은 해에 석사/박사 과정 시작한 대학원 동기 중에는 벌써 두 편, 세 편 써나가는 경우도 있는데 논문의 절대적 편수가 중요한 것은 아니라고는 하지만 부담이 되는 것은 사실이니까.

revision을 진행할 때 referee 두 분 중 한 분이 굉장히 날카롭게 지적하셨고, 또 가감없이 평을 남기셨었는데 굉장히 상처 많이 받았던 기억이 있다. 부족한 걸 알아도 내가 쓴 논문... 내가 낳은 자식인데... 그것도 첫번째 자식... 최종 승인됐을 때는 너무 기뻤다. 부모들 아이 낳으면 눈코입은 제대로 있는지, 팔다리는 있는지, 손가락, 발가락은 맞게 붙어 있는지부터 확인한다는데 나도 최종 승인나고 게재됐을 때 뭐 어디 잘못된 건 없나 여러번 확인하고 하루가 멀다하고 다시 들어가보고 했던 기억이 있다. 지금은 나도 잘 안 찾고 이 녀석도 날 잘 안 찾아오는 출가한 자식이지만... 그래도 많이 아끼는 첫째놈.

하면서

이론 분석 및 fitting을 위해서 python을 본격적으로(라고 하기는 좀 민망하지만) 다루기 시작했다. 그래봐야 계산하는 정도지만 그 전에는 정말 프로그램을 다룰 줄 몰랐었고, 학부 때 matlab에 데인 적이 있어서 많이 두려워했었는데 다시 해보니 좀 달랐다. 학부생 때 matlab을 배울 때는 열정도 없었고, 필요성도 못 느꼈어서 너무 무성의하게 했던 것이 아닌가... 후회해서 뭐하리. 앞으로 잘하면 되지. (대학원 졸업하기 전에 mathmatica와 matlab 학생 버전을 사놓자...)