나노기술 및 정책 정보

• 목록

그래핀의 끊어지는 강도는 130GPa에 달하고, 영률(Young's modulus)은 1.0TPa에 달하지만 이런 뚜렷한 역학 성능은 나노 수준에서만 가능하고 거시적 그래핀 시트 조립 과정에서는 실현되지 못하고 있음. 이런 특성 퇴화(退和)는 다음과 같은 원인으로 인해 발생하고 있는 상황인데 첫 번째 원인은 그래핀 나노 시트의 주름 구조와 불규칙적인 퇴적 배열이 발생하게 되는 점이며, 두 번째 원인은 그래핀 층간의 비교적 취약한 인터페이스 상호 역할이 불량 응력(應力) 이전을 생성시키게 되는 점임.

그래핀 배열 증가와 혈소판(血小板) 간의 상호 역할을 개선하여 그래핀 나노 시트 배열의 역학 성능을 개선하는 연구는 이슈가 되고 있으며, 실온에 가까운 조립을 통해 높은 강도를 보유한 그래핀 박편(薄片)을 얻으려는 노력은 그래핀 층이 어긋나서 지장을 받게 됨. 이런 그래핀 층이 어긋나는 상황은 기계 성능을 감소시키게 되며, 평면 내 인장이 이런 어긋남을 감소시키지만 인장할 때 어긋남은 다시 나타나게 됨.

중국 베이징(北京, 북경) 항공항천(航空航天) 대학교 화학대학 장레이(江雷, 강뢰) 원사(院士) 연구팀의 청췬펑(程群峰, 정군봉) 교수 연구팀은 미국 텍사스 대학교 댈러스 캠퍼스의 Ray H. Baughman 원사(院士) 연구팀과 공동 연구를 수행하여, 공유 원자가와 π -π의 상호 역할을 결합시켜 인장 유도의 그래핀 박편(薄片)의 특정 방향 배열을 영구적으로 동결시키고 각 방향 동일성 평면 내 박편(薄片)의 강도를 1.55GPa로 향상시킨 동시에 비교적 높은 영률(Young's modulus), 전도율과 무게의 표준화된 차폐 효율을 결합시킴.

그 외, 연구팀은 인장 브리지 그래핀 시트는 확장성을 보유하고 있기 때문에 상업용 수지로 쉽게 접착시킬 수 있으며, 성능은 뚜렷하게 떨어지지 않는다는 연구 결론을 도출하였는데 이번 연구 결과는 연구팀이 개발한 그래핀 박편 응용을 위해 잠재적인 기반을 제공하고 있음.

연구팀은 이온 빔 절단을 통해 환원 산화 그래핀(rGO) 필름을 조립하였는데 이런 필름 내부는 다공성, 주름 구조를 보유하고 있기 때문에 그래핀 필름 성능이 비교적 취약하다는 점을 발견하였음. 단순한 외부 역량 견인은 일정한 정도 상에서 그래핀 나노 시트의 주름을 감소시키고, 정연한 방향 확정 정도를 향상시키지만 외부 역량에 의해 제거될 때 유도 방향 확정 구조는 부분적인 리턴이 발생하여 일정한 정도 상에서 방향 확정 정도를 낮추게 된다는 점을 발견하였음.

또한, 외부 역량 견인 하에서의 순서적인 인터페이스 연결을 실행하여 관련 구조에 대한 "동결(凍結)"을 실현함으로써 그래핀 필름의 정연한 방향 확정 정도와 밀실도(密實度)를 향상시켰음.

연구팀은 그래핀 나노 시트의 방향 확정 정도와 퇴적 밀실도(密實度)를 향상시켰으며, 비교적 강한 층간의 인터페이스 상호 역할을 강화시켰는데, 개발된 그래핀 필름(SB-BS-rGO)은 순수 rGO 필름에 비해 더욱 높은 역학 및 전기학 성능을 보유하고 있는 것으로 나타났으며, 인장 강도는 1.55GPa, 영률(Young's modulus)은 64.5 GPa, 인성은 35.9 MJ/m3, 전도율은 1394S/cm, 전자기 차폐 계수는 39.0dB(필름 두께는 2.8μm)에 도달하여 각각 rGO 필름의 3.6, 10.6, 3.3, 1.5와 1.5배 수준에 달하는 것으로 나타났음.

실온에 가까운 공법(50°C보다 낮음) 혹은 개선된 공법은 저렴하게 채굴된 흑연을 고성능 그래핀 복합 소재로 전환시키는데 사용할 수 있으며, 이렇게 개발된 그래핀 복합 소재는 우주, 항공 및 자동차 제조 분야에 응용되며 특히 무게를 감소시키는 면에서 중대한 역할을 발휘하고 있음. 현재 그래핀 복합 소재로 제조된 고 강도, 고 모듈, 고 인성 판재(板材)에 대해 간단한 DB 주조(鑄造) 공법을 적용하여 신축을 실현할 수 있는 것으로 나타났음.

관련 실험을 통해 4wt%의 상용화 수지 혹은 단일 층 두께의 π -π 교량 접합제(bridging agent)는 효과적인 층 압력을 제공할 수 있기 때문에 무한한 두께의 대 면적 박편(薄片)을 제조할 수 있다는 점을 입증한 상황이며, 기계 강도가 높은 대체 소재에 비해 연구팀이 개발한 소재는 복합할 필요가 없이 매우 높은 전자기 간섭 차폐 성능을 제공할 수 있는 것으로 나타남. 높은 기계 성능과 높은 전도성 조합 특징도 보유하고 있기 때문에 관련 소재는 비행기 동체에 낙뢰(thunderbolt) 보호를 제공할 수 있는 것으로 나타났음.

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