아주대 연구팀, 그래핀 활용 초경량 고분자 복합소재 구현

초고강도·고열전도 특성도 지녀
첨단 고부가가치 소재로 활용
삼성디스플레이·KIST 등 산학연 공동 연구

자료사진[아주대학교 제공]

아주대학교 연구진이 ‘꿈의 물질’ 그래핀을 이상적으로 구현할 수 있는 새로운 적층법을 개발했다.

아주대학교는 이재현 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)연구팀이 원자층 두께의 단층 그래핀을 물에 띄운 상태로 말아 올리는 부유식-적층 공법을 개발했다고 18일 밝혔다.

연구팀은 이 공법을 통해 수백 층의 그래핀이 고분자 필름 내부에 일정한 간격으로 적층배열된 세계 최고 성능의 초경량·초고강도·고열전도 복합소재를 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구는 삼성디스플레이·부산대학교·한국과학기술연구원(KIST) 연구진이 함께했다.

관련 논문은 ‘부유식-적층법으로 제작된 그래핀-PMMA 복합소재(Float-stacked graphene-PMMA laminate)’라는 제목으로 나노 분야의 저명 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 온라인판에 개재됐다.

‘꿈의 물질’ 그래핀(graphene)은 두 개 이상의 물질이 결합 돼 각각의 물질보다 더 좋은 물성을 나타내는 복합소재의 가장 이상적 형태로 알려져 있다.

복합소재는 로켓을 비롯한 방위산업이나 항공우주산업, 고가의 차량 및 모빌리티 분야 등에서 첨단 고부가가치 소재로 활용된다.

강철보다 200배 이상 강하면서도 매우 가볍고 높은 열전도 특성과 탄소 원자 한 층의 두께를 대면적으로 생산해낼 수 있다는 장점이 있다.

하지만 뛰어난 이론적 특성을 가지고 있음에도 불구하고 실제 그래핀 기반 복합소재의 특성을 일정 수준 이상으로 끌어올리는 데에는 한계가 존재했다. 그래핀의 층수가 작아질수록 강해지는 반데르발스 힘(가까운 거리의 분자들이 서로 끌어당기는 힘)에 의해 입자의 응집 현상이 도드라지는 원천적인 문제를 갖고 있어, 복합소재를 이루는 기지(Matrix) 내에서 단층의 그래핀을 균일하게 분산하거나 이를 한 방향으로 정렬시키는 것이 불가능한 것으로 알려져 있었기 때문이다.

탄소원자 한층의 두께를 가진 단층의 그래핀을 대면적으로 생산하는 과정에는 화학기상증착법이라는 합성법이 대표적으로 활용되고 있다.

국내외의 연구자들은 화학기상증착법을 통해 준비된 단층의 그래핀을 고분자 혹은 금속과 복합 소재화할 경우 그래핀의 이론적 특성을 극대화할 수 있을 것으로 예측해왔다. 하지만 화학기상증착법을 통해 합성된 그래핀 복합소재를 제조하기 위해서는 매우 얇은 두께의 그래핀 강화재와 고분자 기지를 한 층씩 반복하여 균일하게 쌓아 올려야 한다는 점에서 많은 시간과 공정, 비용이 필요하다.

때문에 이와 관련된 연구 기술은 검증 수준에 머물러 있는 단계다.

아주대 공동 연구팀은 이 같은 어려움을 해결하기 위해 부유식 공법(floating method)에 주목했다. 부유식 공법은 작은 힘에도 쉽게 깨지는 낮은 밀도의 유리를 높은 밀도의 용융 주석 (Molten Tin) 위에 띄워 원하는 두께와 크기로 가공할 수 있는 방법이다.

낮은 밀도와 소수성을 가진 그래핀에 얇은 고분자 막을 코팅해 물 위에 띄운 다음, 원하는 위치로 이동시키고 롤러(roller) 구조물에 이를 말아 올려 빠르고 정확하게 적층 배열을 할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

자료사진[아주대학교 제공]

연구팀은 이러한 과정을 반자동화 공정으로 구현, 복합소재를 제조했고 적층 간격과 크기, 두께 등을 원하는 대로 조절했다. 아울러 제조한 복합소재의 강도와 탄성계수가 혼합물의 법칙(rule of mixture)을 그대로 따르는 것을 확인했다.

또 부유식 적층법을 통해 100층의 그래핀을 균일하게 삽입(부피 비 0.19%) 할 수 있었고, 이를 통해 제작된 복합소재의 경우 강철은 물론 대표적 경량 비철금속인 알루미늄 합금보다 높은 비강도를 기록했다.

열전도도 역시 일반적인 고분자 필름 대비 2000% 이상 증가함을 확인했다.

밀도당 강도를 의미하는 비강도는 강도와 경량성을 종합평가할 수 있는 지표다. 즉 비강도가 높으면 같은 무게임에도 강도가 높다는 것을 의미한다.

이재현 아주대 교수는 “이번에 개발한 복합소재는 일괄공정이 가능하고 크기와 두께를 자유롭게 구현할 수 있어 그래핀 복합소재의 양산화를 가능하게 할 것”이라고 했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 아주대학교 교내 연구비의 지원을 받아 수행됐다.