"스스로 납작해지는 차세대 그래핀 나왔다"

KAIST 연구팀, 경제적이고 차별화된 물성 지닌 새 그래핀 섬유 개발 성공

국내 연구진이 스스로 납작해지는 차세대 그래핀을 만들었다.

KAIST 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 그래핀(Graphene)의 기존 응용범위와 한계를 뛰어넘는 새 그래핀 섬유를 개발하는데 성공했다고 13일 밝혔다.

김상욱 교수 연구팀이 개발한 이 기술을 활용하면 연필심 등에 쓰이는 값싼 흑연에서 손쉬운 용액공정을 통해 그래핀을 얻을 수 있다. 기존 탄소섬유보다 값이 싸며 유연성과 같은 차별화된 물성을 지니고 있어 경제성까지 갖췄다는 평가를 받고 있다.
 

(왼쪽부터) 김상욱 교수, 정홍주 박사과정.[사진=KAIST 제공]

그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이루어진 원자만큼 얇은 2차원 물질이다. 이론적으로 강철보다 100배 강하고 열·전기 전도성이 뛰어나기 때문에 꿈의 신소재로 불린다. 최근에는 그래핀 마스크, 그래핀 운동화, 그래핀 골프공 등 다양한 응용제품들이 출시되고 있지만, 아직까지는 소량의 그래핀이 첨가된 것이 대부분이다.

김상욱 연구팀의 이번 연구는 100% 그래핀으로 이뤄진 섬유가 만들어지는 과정에서 스스로 납작해져서 벨트와 같은 단면을 갖는 현상을 세계 최초로 발견했다는 점에서 높은 평가를 받고 있다. 통상적으로 일반섬유는 그 단면이 원형으로 이루어져 있는 반면 원자단위의 평평한 2차원 소재인 그래핀으로 이루어진 섬유는 단면이 납작한 형태가 안정적인 구조라는 점을 김 교수 연구팀이 규명한 것이다.

 

(a) 자발적 평탄화가 일어나지 않아 주름진 원형 단면을 가지는 그래핀 섬유와 (b) 자발적 평탄화로 인해 납작한 그래핀 섬.[사진=KAIST 제공]

연구팀이 개발한 납작한 벨트형 그래핀 섬유는 내부에 적층된 그래핀의 배열이 우수해 섬유의 기계적 강도와 전기전도성이 대폭 향상됐다. 연구팀은 원형 단면을 갖는 일반섬유와 대비해 각각 기계적 강도는 약 3.2배(320%), 전기전도성은 약 1.5배(152%) 향상된 결과를 얻었다. 또한 납작한 면 방향으로 매우 쉽게 구부러지는 유연한 섬유를 만들 수 있어 플렉시블 소자(유연 소자)나 웨어러블 소자 등에 유용하게 쓰일 수 있다고 연구팀 관계자는 설명했다.

김상욱 교수는 "그래핀과 같은 2차원 소재로 섬유를 만들면 납작한 벨트 형태가 이상적인 배열구조다. 납작한 그래핀 섬유는 납작한 면 방향으로 유연한 성질을 가지고 있어 기존의 잘 부러지는 탄소섬유의 문제를 해결할 수 있고 최근의 이슈인 마스크의 필터 소재로도 유용하게 사용할 수 있다"고 설명했다.