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그래핀 실용화 방법 국내 연구진이 찾았다

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2018년 08월 05일 18:51 프린트하기

국제학술지 ‘파티클’지 표지논문. KAIST 연구진은 그래핀의 표면 성질을 변경해 만든 그래핀의 3차원 이미지를 볼 수 있다. KAIST 제공.
국제학술지 ‘파티클’지 표지논문. KAIST 연구진은 그래핀의 표면 성질을 변경해 만든 그래핀의 3차원 이미지를 볼 수 있다. KAIST 제공.

‘그래핀’은 전기가 잘 통하는데다 가볍고 튼튼해 ‘미래 신소재’로 불린다. 그래핀을 실용화 하려는 노력이 계속되고 있지만 수년 째 획기적인 진전을 보이지 않고 있다. 그래핀으로 제품을 만들려면 특유의 성질을 유지하면서 다양한 형태로 가공해야 하는데, 흑연으로 만든 그래핀이 이런 변화를 이겨내기 어려웠다.

 

이를 극복하기 위해 그래핀을 여러 층으로 쌓아 100nm(나노미터, 1nm는 10억분의 1m) 미만 두께의 판 형태로 만드는 ‘그래핀 나노플레이트렛(GNP)’이라는 방식이 활발하게 연구되고 있다. GNP 형태로 그래핀을 여러 가지 물질과 섞으면 그래핀의 성질을 유지하면서도 다양한 형태로 가공할 수 있기 때문이다. 그러나 GNP를 이용한 복합소재를 만드는 것도 적잖은 걸림돌이 있어 이를 해결하려는 노력이 계속돼 왔다.

 

국내 연구진이 GNP를 이용해 다양한 그래핀 제품을 대량 생산할 수 있는 방법을 찾아냈다. 신소재공학과 홍순형 교수팀은 GNP를 이용해 초경량 다기능성 나노복합소재를 개발하는 방법을 찾아내는데 성공했다고 5일 밝혔다. 그래핀 신소재의 실용화에 큰 진전이 있을 것으로 기대된다.

 

GNP를 상용화하려면 ‘자체 응집현상’을 극복할 필요가 있다. 그래핀을 얇게 가공해 만들면 내부에서 뭉치고 응집되면서, 접착력이 낮아지는 문제가 있었다. 이 상태로 여러 가지 재료를 만들게 된다. 홍 교수팀은 GNP의 이같은 응집현상을 해결하는 방법을 개발했다. 연구진은 문제해결을 위해 GNP의 표면을 ‘멜라민’이란 물질로 변경했다. 멜라민이 가진 특수 구조를 이용해 GNP로 다양한 강화재료(matrix)를 만들 때 강한 화학결합을 이끌어냈다. 여기에 ‘고에너지 밀링공정’을 적용, GNP와 멜라민을 서로 화학적으로 강하게 결합하도록 만들었다.

 

이 기술을 적용해 GNP를 고분자 소재인 ‘에폭시’ 내에 균질 분산시키자, 강도는 1.4배, 탄성계수 2배로 늘어났다. 그래핀을 첨가해 고분자 나노복합소재를 개발한 것이다. 우선 비행기의 날개나 자동차의 몸체 등을 보다 가볍고 튼튼하게 만드는데 쓸 수 있을 것으로 보인다. 연구진은 관련기술을 응용하면 다양한 복합재료를 대량으로 생산할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

홍 교수는 “이번 기술을 이용하면 항공기 및 인공위성용 초경량 소재는 물론, 내습·내산화 소재, 투명하고 유연한 전자 소재, 전자파 차폐용 스텔스 소재 등 다양한 분야에 적용가능하다”고 밝혔다.

 

이번 연구결과는 재료분야 국제 학술지 ‘파티클(Particle & Particle Systems Characterization)’ 6월 22일자 표지논문에 선정됐다.

 

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