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"접을수록 강도 세져···그래핀 복합체 12번 접었다"

로드니 루오프 UNIST 특훈교수팀 연구
그래핀 복합체 기계적 특성 향상
종이를 여러 번 접을수록 단단해지는 것처럼 그래핀(Graphene)도 접을수록 기계적 특성이 좋아진다. 최근 그래핀 복합체를 12번까지 접어 기계적 강도를 향상시킨 연구결과가 나왔다. 

UNIST(총장 정무영)는 로드니 루오프 자연과학부 특훈교수(IBS 다차원 탄소재료 연구단장) 연구팀이 접어서 대면적 단층 그래핀과 고분자를 결합한 복합체를 효과적으로 만들 수 있고, 기계적 특성을 높일 수 있다는 사실을 알아냈다고 12일 밝혔다.

이번 연구는 2002년 미국의 고등학생이었던 브리트니 갤리반(Brittney Gallivan)의 실험에서 비롯됐다. 당시 브리트니는 1200m 길이의 종이를 12번이나 반으로 접어 수학자들이 최대 7번까지 가능하다고 생각했던 사실을 뒤집었다. 루오프 교수는 이 실험에서 영감을 받아 접는 방법을 활용하게 됐다. 

연구팀은 화학기상증착법(CVD)으로 제조한 A5 크기의 그래핀에 400나노미터 두께의 폴리카보네이트 필름을 코팅했다. 이 상태에서 12번 접어 '그래핀-폴리카보네이트 적층복합체(그래핀 복합체)'를 만들었다.

연구진이 10번 접은 시료를 활용해 물질의 세 부분을 구부리며 관찰하는 '삼점 굽힘(3-point bending) 시험'으로 측정한 결과 기계적인 특성도 향상된 것으로 나타났다.

이때 만들어진 그래핀 복합체 시료에서 그래핀이 차지하는 부피는 0.085%였다. 그럼에도 불구하고 이 물질의 영 계수(Young’s Modulus)와 강도(Strength), 인성(Toughness) 계수가 각각 73.5%, 73.2%, 59.1%만큼 향상된 것으로 분석됐다. 

류승화 KAIST 교수와 스테파노 시네티(Stefano Signetti) 박사가 유한요소모델링(Finite Element Modeling, FEM)을 사용해 접힌 박막들의 구부러짐을 모의 실험한 결과, 그래핀을 10번 접어서 1024층이 된 경우가 단순히 쌓아서 1024겹을 올린 구조보다 강한 굽힘 강성을 갖는 것으로 확인됐다.  

루오프 교수는 "이번 연구는 2차원 물질을 적층시켜 3차원 다층 복합체를 설계하는 데 도움이 될 것"이라며 "다양한 2차원 나노물질들을 결합해 에너지 저장과 변환, 열 관리 등으로 응용할 크기의 재료를 확보할 수 있을 것"이라고 말했다.  

이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 지난 11일자 온라인판에 게재됐다. 

그래핀과 폴리카보네이트를 붙여 11번 접은 그래핀 복합체의 모습.<사진=UNIST 제공>그래핀과 폴리카보네이트를 붙여 11번 접은 그래핀 복합체의 모습.<사진=UNIST 제공>
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