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KAIST 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 그래핀의 기존 응용범위와 한계를 뛰어넘는 새로운 형태의 그래핀 섬유를 개발함.

탄소 원자가 벌집 모양으로 이뤄진 2차원 물질 그래핀은 강도와 열·전기 전도성이 뛰어나 다양한 응용제품들이 출시되고 있지만 아직 소량의 그래핀이 첨가된 것들이 대부분임.

김상욱 교수 연구팀은 100% 그래핀으로 이뤄진 섬유가 만들어지는 과정에서 스스로 납작해져 벨트와 같은 단면을 갖는 현상을 처음으로 발견함. 통상 일반 섬유는 단면이 원형으로 이뤄져 있는 반면 원자 단위의 평평한 2차원 소재인 그래핀으로 이뤄진 섬유는 단면이 납작한 형태가 안정적인 구조라는 사실을 규명한 것임.

연구팀이 개발한 납작한 벨트형 그래핀 섬유는 내부에 적층된 그래핀의 배열이 우수해 섬유의 기계적 강도와 전기전도성이 대폭 향상됐음. 원형 단면을 갖는 일반 섬유에 비해 기계적 강도는 약 3.2배, 전기전도성은 약 1.5배 향상됐음.

또 납작한 면 방향으로 매우 쉽게 구부러지는 유연한 섬유를 만들 수 있어 플렉서블 소자나 웨어러블 소자 등에 유용하게 쓰일 수 있음. 특히 연필심 등에 쓰이는 값싼 흑연으로부터 손쉬운 용액 공정을 통해 얻을 수 있고 기존 탄소 섬유보다 저렴해 경제성까지 갖췄음.

김상욱 교수는 “그래핀과 같은 2차원 소재로 섬유를 만들면 납작한 벨트 형태가 이상적인 배열구조라는 사실을 알아낸 것”이라며 “납작한 그래핀 섬유는 납작한 면 방향으로 유연한 특성이 있어 기존 탄소섬유가 잘 부러지는 문제를 해결할 수 있고 마스크 필터 소재로도 유용하게 사용할 수 있다”고 밝힘.

본 연구 성과는 ‘ACS Central Science’ 지에 게재됨.