아주대, 꿈의 물질 '그래핀' 활용 초경량 고분자 복합소재 구현

삼성디스플레이·KIST 등 산학연 공동 연구

초소형 스마트 기기 및 자동차·우주항공 분야 활용 기대

부유식-적층 공법의 개략도. 물 위에서 합성-코팅-에칭-적층의 연속공정을 적용함으로써, 미세한 그래핀의 정밀한 적층이 가능하며 모세관 현상을 통해 적층 시 발생할 수 있는 물리적 결함 발생을 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.ⓒ아주대 제공

꿈의 물질로 알려진 그래핀을 이상적으로 구현할 수 있는 새로운 적층법이 개발됐다. 초경량·초고강도 특성을 가진 복합소재를 구현해 냄으로써 향후 소형 전자기기와 자동차 및 우주항공 분야 등에 적용되는 고부가가치 원천소재로 활용될 수 있을 전망이다.

18일 아주대학교는 이재현 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 삼성디스플레이·부산대학교·한국과학기술연구원(KIST) 연구진과 함께 원자층 두께의 단층 그래핀을 물에 띄운 상태로 말아 올리는 부유식-적층 공법을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 이 공법을 통해 수백 층의 그래핀이 고분자 필름 내부에 일정한 간격으로 적층배열된 세계 최고 성능의 초경량·초고강도·고열전도 복합소재를 제조하는 데 성공했다.

한국연구재단 중견연구자지원사업, 아주대학교 교내 연구비의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 논문은 '부유식-적층법으로 제작된 그래핀-PMMA 복합소재(Float-stacked graphene-PMMA laminate)'라는 제목으로 나노 분야 저명 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 3월 온라인판에 개재됐다.

연구에는 이재현 아주대 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과), 이승기 부산대 교수(재료공학부), 조성호 삼성디스플레이 부사장이 교신저자로 참여했다. 제1저자로 아주대 김승일 박사과정 학생(대학원 에너지시스템학과)이, 공동 제1저자로 문지윤 아주대 박사후연구원(대학원 에너지시스템학과)과 형석기 아주대·한국과학기술연구원 박사과정 학생(신소재공학과)이 함께 했다.

그래핀(graphene)은 두 개 이상의 물질이 결합돼 첨단 고부가가치 소재로 활용되고 있는 복합소재의 가장 이상적 형태로 알려져 있다. 강철보다 200배 이상 강하면서도 매우 가볍고 높은 열전도 특성을 가지고 있는데다, 탄소 원자 한 층의 두께를 대면적으로 생산해낼 수 있다는 장점을 가지고 있다.

그러나 뛰어난 이론적 특성을 가지고 있음에도 불구하고 실제 그래핀 기반 복합소재의 특성을 일정 수준 이상으로 끌어올리는 데에는 한계가 존재했다. 그래핀의 층수가 작아질수록 강해지는 '반데르발스 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.

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 고분자막을 코팅한 후 물 위에 띄운 다음, 원하는 위치로 이동시키고 롤러(roller) 구조물에 이를 말아 올림으로써 빠르고 정확하게 적층 배열을 할 수 있게 되는 것이다.

연구팀은 이러한 과정을 반자동화 공정으로 구현, 복합소재를 제조했고 적층 간격과 크기, 두께 등을 원하는 대로 조절했다. 또한 제조한 복합소재의 강도와 탄성계수가 혼합물의 법칙(rule of mixture)을 그대로 따르는 것을 확인했다. 이는 그래핀이 가진 물성을 완전히 보존할 수 있는 이상적인 복합소재 구조를 구현했다는 것을 의미한다.

또 부유식 적층법을 통해 100층의 그래핀을 균일하게 삽입(부피비 0.19%) 할 수 있었고, 이를 통해 제작된 복합소재의 경우 강철은 물론 대표적 경량 비철금속인 알루미늄 합금보다 높은 '비강도'를 기록했다. 열전도도 역시 일반적인 고분자 필름 대비 2000% 이상 증가함을 확인했다.

연구를 주도한 김승일 박사과정 학생은 "그래핀 강화재는 복합소재의 기지 내에 반무한 형태(semi-infinite)로 배열되었을 때 가장 이상적으로 재료의 물성을 향상시킬 수 있다"며 "이번 연구에서 개발한 부유식-적층법은 이러한 이상적인 구조를 구현할 수 있는 원천기술로, 대면적의 그래핀을 효율적인 방식으로 정밀하게 적층할 수 있게 한다"라고 설명했다.

이재현 아주대 교수는 "이번에 개발한 복합소재는 일괄공정이 가능하며 크기와 두께를 자유롭게 구현할 수 있어 그래핀 복합소재의 양산화를 가능하게 할 것"이라며 "지속적인 추가 연구를 통해 궁극적으로는 초소형 스마트 전자기기 및 우주 항공·자동차 산업에 사용되는 초경량·고강도 복합소재로의 활용이 가능할 전망"이라고 덧붙였다.