홍합접착제 이용해 성능 높인 그래핀 섬유 개발

김상욱 KAIST 교수팀 연구···폴리도파민으로 그래핀 층간 접착력 높여
웨어러블 장치 적용 기대
KAIST(총장 신성철)는 김상욱 신소재공학과 교수 연구팀이 흑연계 그래핀을 이용해 우수한 물성을 갖는 신개념 탄소섬유를 개발했다고 17일 밝혔다. 

이 탄소섬유는 홍합접착제로 알려진 폴리도파민(poly-dopamine)을 이용해 그래핀 층간 접착력을 높여 고강도, 고전도도를 갖는다. 이 신소재는 직물형태의 다양한 웨어러블 장치용 원천소재로 활용될 수 있다.

기존 공정으로는 섬유 형성 과정에서 그래핀 층의 접힘 현상이 발생해 공극이 발생한다는 문제점이 있다. 이러한 구조적 결함은 탄소섬유의 기계적 물성과 전기전도성을 취약하게 만든다.

연구팀은 문제를 해결하기 위해 홍합에서 영감을 얻었다. 고분자인 도파민의 접착 성질에 주목했고, 이를 이용해 그래핀 층간의 접착력을 증가시켜 구조적 결함을 방지한 고강도 탄소섬유를 제작했다. 이어 폴리도파민의 탄화과정을 통해 전기전도도가 향상된 섬유를 제조하는데 성공했다.

연구팀은 도파민에 열처리를 가하면 그래핀과 유사한 구조를 갖는다는 이론을 바탕으로 그래핀 액정 상에서 도파민의 고분자화 조건을 최적화시켰고, 이를 섬유화해 기존 그래핀 섬유의 본질적인 결함 제어 문제를 해결했다.

실험 결과, 도파민의 구조 변환으로 기존 고분자의 근본적 한계인 전도도 측면에서 손해를 보지 않으면서, 도파민 분자에 존재하는 질소 영향으로 전기전도도 측면에서 물성이 향상되는 것으로 나타났다. 

김상욱 교수는 "그래핀 액정을 이용한 탄소섬유는 기술적 잠재성에도 불구하고 구조적 한계를 극복해야 하는 한계가 있었다"며 "이번 기술은 추후 복합섬유 제조와 다양한 웨어러블 직물기반 응용소자에 활용 가능할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단과 글로벌프론티어사업, 나노·소재원천기술개발 사업의 지원을 받았다. 

연구에는 김인호 박사과정이 1저자로 참여했으며, 박정영 신소재공학과 교수와 정현수 KIST 박사가 힘을 보탰다.

연구 결과는 재료과학분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 4일자 표지논문으로 선정됐다.

일반적인 그래핀 섬유의 단면(왼쪽)과 도파민을 이용해 두단계로 결함 제어된 후의 그래핀 섬유의 단면의 전자현미경 사진(중간, 오른쪽).<사진=KAIST 제공>일반적인 그래핀 섬유의 단면(왼쪽)과 도파민을 이용해 두단계로 결함 제어된 후의 그래핀 섬유의 단면의 전자현미경 사진(중간, 오른쪽).<사진=KAIST 제공>
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