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'강하고 전기 잘 통하는 입체 그래핀 제조' 난제 풀었다

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'강하고 전기 잘 통하는 입체 그래핀 제조' 난제 풀었다

2020.10.05 13:00
수원대-IBS팀 가볍고 강하며 잘 휘는 입체 그래핀 제조...휘는 전자소자 적용 기대
산화그래핀(검은색)이 카테콜아민(빨간색)에 의해 마치 접착제로 붙인 듯 연결돼 임체 구조를 형성한 모습을 형상화한 그림이다. 수원대와 IBS 공동연구팀이 개발한 입체 그래핀 구조 복합체로, 강철보다 가벼우면서도 강하고 전기가 잘 통하는 휘어지는 전자소자 개발 가능성을 높였다. 어드밴스드펑셔널머티리얼스 제공
산화그래핀(검은색)이 카테콜아민(빨간색)에 의해 마치 접착제로 붙인 듯 연결돼 임체 구조를 형성한 모습을 형상화한 그림이다. 수원대와 IBS 공동연구팀이 개발한 입체 그래핀 구조 복합체로, 강철보다 가벼우면서도 강하고 전기가 잘 통하는 휘어지는 전자소자 개발 가능성을 높였다. 어드밴스드펑셔널머티리얼스 제공

강철보다 가볍지만 3배 강하고, 현재 터치 디스플레이에 쓰이는 전극보다 전기를 전달하는 성질까지 우수한 탄소재료를 만들 수 있는 기술이 개발됐다. 초경량 항공소재와 입는 전자기기용 소자를 만드는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


류성우 수원대 화공신소재공학부 교수(신소재융합기기분석센터장)와 로드니 루오프 울산과학기술원(UNIST) 특훈교수(기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단장), 진성환 연구위원팀은 평면 형태의 탄소 신소재인 ‘그래핀’을 일종의 접착제로 붙여 그래핀 특유의 높은 강도와 전기 전도도를 유지하면서 입체 형태로 가공할 수 있는 하이브리드 그래핀 복합체 합성 기술을 개발했다고 5일 밝혔다. 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스’ 9월 15일자에 발표됐다.


그래핀은 탄소가 육각형 형태로 반복적으로 연결된 평평하고 매우 얇은 소재다. 강철보다 100배 강하고 열과 전기를 전달하는 전도성이 뛰어나며 휘어져도 성질이 변하지 않아 큰 기대를 모으고 있다.

 

하지만 소자로 가공하는 과정에서 물성이 사라지는 경우가 많아 실제 응용에 한계가 많았다. 특히 평면 형태의 그래핀을 쌓아 입체로 만드는 과정이 필요한데, 이렇게 만든 대표적인 입체 구조인 그래파이트(흑연)는 늘어나는 힘에 약하고 전기를 전달하는 힘이 크게 떨어졌다.


연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 일종의 ‘풀(접착제)’을 이용해 그래핀 평면을 견고하게 붙이는 방법을 개발했다. 연구팀이 떠올린 접착제는 홍합 접사에서 발견되는 단백질 구조 연결 물질인 '카테콜아민'이다. 류 교수는 전화 통화에서 "카테콜아민은 그 자체로도 강한 접착제지만, 구조가 그래핀과 비슷하게 형성되는 특성이 있다"며 "그래핀 대량생산 기술을 고민하다 카테콜아민을 적용하는 방법을 시도했다"고 연구 동기를 말했다.

 

카테콜아민은 아직 정확한 구조가 밝혀지지 않은 고분자 물질인데, 결정이 사라졌다 다시 결정을 이룰 때 그래핀과 같이 육각형 구조가 반복되는 형태로 합성되는 특징이 있어 이를 통해 그래핀을 연결할 아이디어를 낸 것이다. 

 

왼쪽은 일반적인 산화그래핀이 쌓인 구조다. 벽돌처럼 층마다 엇갈려 쌓인다. 여기에 카테콜아민을 넣어 가공하면 복합체가 형성된다. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 제공
왼쪽은 일반적인 산화그래핀이 쌓인 구조다. 벽돌처럼 층마다 엇갈려 쌓인다. 여기에 카테콜아민을 넣어 가공하면 복합체가 형성된다. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 제공

연구팀은 산화그래핀을 물에 풀어 용액 형태(액정)로 뽑아냈다. 산화그래핀은 그래핀을 산화시킨 소재로 물어 풀 수 있어 대량생산이 쉬우면서도 그래핀 못지 않은 우수한 특성을 지니고 있다. 액정으로 만든 산화그래핀은 마치 긴 벽돌과 비슷한 모습을 갖는데, 이들은 쌓일 때도 마치 벽돌처럼 한 층마다 엇갈려서 규칙적으로 쌓이는 특징이 있다.

 

연구팀은 여기에 카테콜아민 고분자를 넣고 최고 3000도의 고온으로 가열해 두 물질의 복합체를 만들었다. 원래 육각형으로 결정이 변한 평면 카테콜아민은 마치 티슈를 대충 쌓아놓은 것처럼 자신들끼리 무질서하게 쌓여 입체 구조를 형성한다. 그런데 두 물질을 합쳐서 복합체를 만들자, 산화그래핀 특유의 벽돌이 쌓인 구조에 카테콜아민 고분자 특유의 무질서하게 쌓인 구조가 동시에 형성되면서 복잡하면서 유연한 입체 구조를 형성했다(아래 그림). 


이렇게 만든 입체 그래핀 복합체는 기존의 입체 그래핀에 비해 물리적 특성이 크게 개선됐다. 류 교수는 “무게는 강철의 4분의 1 수준이지만 강도는 3배 강하고 흑연보다 20배 유연하다”며 “전기 전도도도 터치패널 등에 현재 전극으로 널리 사용되고 있는 인듐주석산화물(ITO)보다 4배 이상 높다”고 말했다.

 

연구팀이 개발한 산화그래핀(검은색)과 카테콜아민(빨간색)의 복합체다. 기본적으로 산화그래핀의 벽돌 적층 구조를 유지하면서 중간에 불규칙한 카테콜아민 결합 구조가 섞여들었다. 이를 통해 강하면서 유연하고 전기 전도도가 높은 입체 그래핀 구조가 형성됐다. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 제공
연구팀이 개발한 산화그래핀(검은색)과 카테콜아민(빨간색)의 복합체다. 기본적으로 산화그래핀의 벽돌 적층 구조를 유지하면서 중간에 불규칙한 카테콜아민 결합 구조가 섞여들었다. 이를 통해 강하면서 유연하고 전기 전도도가 높은 입체 그래핀 구조가 형성됐다. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 제공

연구팀은 새로운 복합체가 기존의 그래핀과 흑연 소재로 만들기 어려웠던 초경량 항공 소재와 휘어지는 전자소자 등에 널리 활용될 수 있을 것이라고 기대했다. 또 현재 일본 도레이 등 탄소섬유를 제조하는 기업이 사용하는 고온 공정과 같은 공정을 사용해 향후 대량생산에도 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 내다봤다. 기업의 고온 공정이 2000도의 온도를 써서 연구팀이 개발한 방법보다는 약간 온도가 낮지만, 기본적인 공정이 같아 대량생산에 적용하기에 유리하다는 것이다.

 

류 교수는 "열처리 외에 전자빔을 쏘는 방법으로도 그래핀 구조를 형성할 수 있다는 사실도 밝힌혀 현재 후속연구를 진행중"이라며 "반도체 소자 등 개발에도 응용할 수 있을 것"이라고 말했다.

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