나노기술 및 정책 정보

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흑연의 절단 강도는 130GPa 수준에 달하고, 영률(Young's modulus)은 1.0TPa 수준에 달하지만 우수한 기계 성능은 나노레벨 수준에 달하기 때문에 거시적 그래핀 시트 층 부품 응용은 아직 실현되지 못했으며, 이런 성능의 퇴화는 다음과 같은 원인으로 인해 발생하게 되는데 서로 다른 시트 층간의 위치 오류와 이로 인해 발생하는 불량 응력 전달로 인해 발생하게 됨.

많은 연구는 그래핀 배열을 증가시키고, 시트층간의 상호역할을 개선함으로써 그래핀 시트 층 배열의 기계적 성능을 개선하는데 집중되어 있음.

그 외, 마이크로 모세혈관의 절단 필드를 이용하여 산화 그래핀에 대한 방향을 확정하고, 다음 2500℃에서 어닐링(annealing)을 실행하면 인장 강도를 1.9GPa인 그래핀 밴드 수준에 도달시킬 수 있는 것으로 나타났음.

이런 두 가지 방법은 모두 비교적 높은 어닐링(annealing) 온도가 필요하기 때문에 면(面) 내 등방성을 보유한 박판(薄板)을 제조하는데 적합하지 않을 수 있으며, 학자들은 실온에 가까운 조립을 통해 고강도 그래핀 시트 소재를 취득하려고 했으나 기계적 성능을 떨어뜨릴 수 있는 그래핀 층의 오류 때문에 좌절된됨. 면(面) 내 인장은 이런 오류를 줄일 수는 있지만 방출 인장 시에는 다시 오류가 나타나게 되는 상황임.

중국 베이징(北京, 북경) 항공(航空) 항천(航天) 대학교 청췬펑(程群峰, 정군봉) 교수 연구팀은 텍사스 대학교 댈러스 캠퍼스의 Ray H. Baughman 교수 연구팀과 공동 연구를 수행하고, 공유원자가 결합과 π-π 시트 층 간 가교를 이용하여 인장 유도의 그래핀 시트 배열을 영구 동결하였음.

연구팀은 실온에 가까운 공법(50℃ 이하)을 이용하여 저렴하게 채굴한 흑연을 고성능 그래핀 복합 소재로 전환시켰는데 연구팀이 개발한 복합 소재는 항공(航空), 항천(航天) 및 자동차 분야에 응용할 수 있는 것으로 나타남. 또한, 개발한 복합 소재는 경량(輕量) 특성이 매우 뚜렷한 것으로 나타났음.

현재 연구팀이 개발한 고 강도, 고 모듈과 고 인성 판재(板材)는 간단한 양면 주조 공법을 이용하여 확장할 수 있는 특징을 보유하고 있으며, 현재 이미 출시된 4wt%의 수지 혹은 π-π 교련제(橋聯劑)의 단일 층 두께는 효과적인 층 압력을 제공하기 때문에 무한 두께의 대 면적 시트 소재를 제조할 수 있는 것으로 나타났음.

기계적 강도가 높은 대체 소재에 비해 연구팀이 개발한 판재(板材)는 층 압력이 필요 없이 매우 높은 전자기 간섭을 차폐하는 성능을 제공할 수 있는 것 외, 취득한 높은 기계적 성능과 높은 전도율의 조합은 각 종 분야에 응용될 수 있는 잠재력을 보유하고 있는데, 예를 들면 항공기 동체에 낙뢰(thunderbolt) 보호를 제공할 수 있는 것으로 나타났음.

인장을 통한 이중 축 방향 선정을 유도하는 과정에서 순서적인 가교는 높은 면(面) 내 인장 강도(1.55GPa)를 보유한 순서적인 가교(SB)를 생성시키고, 이중 축 인장(BS)rGO 시트(SB-BS-RGO 시트라고 함)를 생성시킬 수 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 연속 공유원자가 결합과 π-π 가교의 그래핀 방향 선정 냉동을 통해 인장 강도가 각각 1.47배, 2.50배와 1.41배에 달하는 평면 내 등방성 그래핀 시트를 제조하였는데 동 제조 공법은 실온 하에서 완성되었으며, 향후 저렴하게 취득한 그래핀을 고성능 경량(輕量) 그래핀 복합 소재로 전환시킬 수 있을 것으로 전망되며, 주로 항공(航空), 항천(航天) 및 자동차 분야에서 폭넓게 응용될 것임.

본 연구 성과는 ‘Nature Materials’ ("High-strength scalable graphene sheets by freezing stretch-induced alignment")에 게재됨.