국내 연구진이 ‘꿈의 물질’ 그래핀을 이상적으로 구현하는 새로운 적층법을 개발했다.
18일 아주대학교에 따르면 이재현 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 삼성디스플레이·부산대학교·한국과학기술연구원(KIST) 연구진과 함께 원자층 두께의 단층 그래핀을 물에 띄운 상태로 말아 올리는 부유식-적층 공법을 개발했다.
연구팀은 이 공법으로 수백 층의 그래핀이 고분자 필름 내부에 일정한 간격으로 적층배열된 세계 최고 성능의 초경량·초고강도·고열전도 복합소재도 제조했다.
그래핀(graphene)은 2개 이상의 물질이 결합 돼 각각의 물질보다 더 좋은 물성을 나타내는 복합소재의 가장 이상적 형태로 알려졌다. 강철보다 200배 이상 강하면서도 가볍고 높은 열전도 특성을 가져 탄소 원자 한 층의 두께를 대면적으로 생산해내는 장점이 있다.
복합소재는 로켓을 비롯한 방위산업이나 항공우주산업, 고가의 차량과 모빌리티 분야 등에서 첨단 고부가가치 소재로 활용된다.
다만, 뛰어난 이론적 특성에도 실제 그래핀 기반 복합소재의 특성을 일정 수준 이상으로 끌어올리는 데에는 한계가 존재했다. 그래핀의 층수가 작아질수록 강해지는 반데르발스 힘(가까운 분자들이 서로 끌어당기는 힘)에 의해 입자의 응집 현상이 도드라지는 원천적인 문제를 갖고 있어서다.
아주대 공동 연구팀은 이 같은 문제를 해결하려고 부유식 공법에 주목했다. 부유식 공법은 작은 힘에도 쉽게 깨지는 낮은 밀도의 유리를 높은 밀도의 용융 주석 위에 띄워 원하는 두께와 크기로 가공하는 방법이다.
낮은 밀도와 소수성을 가진 그래핀에 얇은 고분자막을 코팅한 후 물 위에 띄워 원하는 위치로 이동시키고 롤러(roller) 구조물에 이를 말아 올려 빠르고 정확하게 적층 배열을 할 수 있다는 게 연구팀 설명이다.
연구팀은 이러한 과정을 반자동화 공정으로 구현, 복합소재를 제조했고 적층 간격과 크기, 두께 등을 원하는 대로 조절했다. 제조한 복합소재의 강도와 탄성계수가 혼합물의 법칙을 그대로 따르는 점도 확인했다.
아울러 부유식 적층법으로 100층의 그래핀을 균일하게 삽입(부피 비 0.19%) 했고, 이를 통해 제작한 복합소재는 강철이와 알루미늄 합금보다 높은 비강도를 기록했다. 열전도도 일반적인 고분자 필름에 견줘 2천% 이상 증가함을 확인했다.
이재현 교수는 "초소형 스마트 전자기기나 우주 항공·자동차 산업에 사용하는 초경량·고강도 복합소재로의 활용이 가능할 전망"이라고 했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 아주대학교 교내 연구비의 지원을 받았다.
김강우 기자 kkw@kihoilbo.co.kr
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