스스로 납작해지는 차세대 그래핀 개발
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스스로 납작해지는 차세대 그래핀 개발
  • 김형달 기자
  • 승인 2020.08.13 18:29
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KAIST 김상욱 교수 연구팀 마스크 필터 소재로도 기대
2차원 소재의 자발적 평탄화 현상을 통해 제조되는 납작한 그래핀 섬유 제작과정 모식도. 사진=KAIST 제공
2차원 소재의 자발적 평탄화 현상을 통해 제조되는 납작한 그래핀 섬유 제작과정 모식도. 사진=KAIST 제공

그래핀의 기존 응용범위와 한계를 뛰어넘는 새로운 형태의 그래핀 섬유가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

13일 KAIST에 따르면 그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이루어진 2차원 물질로 원자만큼 얇은 것이 특정으로 강철보다 100배 강하고 열·전기 전도성이 뛰어나기 때문에 이른바 '꿈의 신소재'로 불린다.

최근에는 그래핀 마스크, 그래핀 운동화, 그래핀 골프공 등 다양한 응용제품들이 출시되고 있지만, 아직까지는 소량의 그래핀이 첨가된 것들이 대부분이다.

이번에 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 개발한 이 기술은 연필심 등에 쓰이는 값싼 흑연으로부터 손쉬운 용액공정을 통해 얻을 수 있고 기존 탄소섬유보다 값이 싸며 유연성 등 차별화된 물성을 지니고 있어 경제성까지 갖췄다는 게 가장 큰 특징이다.

연구팀이 개발한 납작한 벨트형 그래핀 섬유는 내부에 적층된 그래핀의 배열이 우수해 섬유의 기계적 강도와 전기전도성이 대폭 향상됐다.

연구팀은 원형 단면을 갖는 일반섬유와 대비해 각각 기계적 강도는 약 3.2배(320%), 전기전도성은 약 1.5배(152%) 향상된 결과를 얻었다.

또, 납작한 면 방향으로 매우 쉽게 구부러지는 유연한 섬유를 만들 수 있어 플렉시블 소자(유연 소자)나 웨어러블 소자 등에 유용하게 쓰일 수 있다.

연구팀의 이번 성과가 높게 평가받는 이유는 100% 그래핀으로 이뤄진 섬유가 만들어지는 과정에서 스스로 납작해져서 벨트와 같은 단면을 갖는 현상을 세계 최초로 발견했다는 점이다.

통상적으로 일반섬유는 그 단면이 원형으로 이루어져 있는 반면 원자단위의 평평한 2차원 소재인 그래핀으로 이루어진 섬유는 단면이 납작한 형태가 안정적인 구조라는 점을 김 교수 연구팀이 규명한 것이다.

김상욱 교수는 "그래핀과 같은 2차원 소재로 섬유를 만들면 납작한 벨트 형태가 이상적인 배열구조다ˮ면서 "납작한 그래핀 섬유는 납작한 면 방향으로 유연한 성질을 가지고 있어 기존의 잘 부러지는 탄소섬유의 문제를 해결할 수 있고 최근의 이슈인 마스크의 필터 소재로도 유용하게 사용할 수 있다ˮ고 설명했다.

이번 연구는 종합화학 분야 저명 국제학술지인 `ACS 센트럴 사이언스' 6월11일 자 온라인판에 게재됐다.


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