성균관대 유필진 교수팀,

공기만큼 가벼운 그래핀 버블을 이용한

초경량·고강성·초탄성 구조소재 구현기술 개발

- 차세대 드론이나 자동차의 외장소재로 활용 가능 -

성균관대(총장 정규상) 화학공학/고분자공학부 유필진 교수팀은 한국과학기술연구원(KIST) 나노포토닉스연구센터 권석준 선임연구원 연구팀과의 공동연구를 통해 내부가 비어있는 그래핀 껍질의 공기 방울(버블)을 제작하고 이를 3차원 구조체로 정교하게 조립하여, 초경량·고강성·초탄성의 혁신적인 구조 물성을 갖는 탄소소재 합성 기술을 최초로 개발했다.

새들의 부리나 뼈는 가벼운 무게에 비해 매우 강한 기계적 물성을 가지고 있어, 중량화로 인한 비행 활동에 부담을 최소화하면서도 외부 충격에 대해 높은 보호 특성을 갖는다. 연구진은 이러한 구조특성이 외부의 단단한 껍질과 내부의 미세한 기공구조가 복합화되어 나타나는 현상임에 주목하고 이를 인공적으로 모사하는 기술을 제안하였다.

연구진은 특히 초경량 소재가 고강성의 물성을 갖기 위해서는 구조체 내부의 단위 공극들이 독립적으로 밀폐된 격실형태의 구조이면서 높은 형상 균일도를 가져야 함에 주목하였다. 이를 구현하기 위해 우수한 기계적 물성을 가진 그래핀 나노재료를 이용하여 균일한 형태와 크기를 갖는 미세공극 단위체인 그래핀 버블을 제작하고자 하였다.

본 연구의 공동 제1저자인 여선주 박사(KIST 나노포토닉스연구센터, 성균관대 박사졸업)와 오민준 박사과정생(성균관대)은 약 0.1 mm 크기의 균일하고 안정된 그래핀 버블을 제작하기 위해서 미세유체 시스템*을 이용하였다. 또한 가장 내부의 공기층, 중간층의 유기용제에 분산된 그래핀 용액, 그리고 가장 외부의 수용액이 서로 섞이지 않는 특성을 이용하여 미세한 그래핀 버블을 연속적으로 대량 생산하는 기술을 개발하였다. 특히, 연구진이 합성한 그래핀 버블은 외벽두께가 지름의 1000분의 1 수준으로 작고, 외벽두께가 지름의 100분의 1 수준인 탁구공보다도 훨씬 더 낮은 밀도를 가져, 거의 공기와 같은 정도로 가벼운 특성을 갖도록 제어하였다.

* 미세유체시스템: 수십 마이크로미터(1mm의 1/100 수준의 크기)의 유체흐름을 이용하여, 원하는 물리적, 화학적 특성의 미세입자나 버블을 합성하는 공정기술

이렇게 제작된 그래핀 버블들을 2차원 및 3차원 구조체로 정밀하게 정렬 및 조립시키고, 이후 계면 반응을 통해 인접한 그래핀 버블들을 접합시켰다. 단일소재로 구성된 독립 구조체인 모노리스(monolith)*화 변환을 시킴으로써 균일한 크기와 형태의 기공을 갖는 밀폐된 격실 구조 기반의 3차원 집적 구조체로 구현시키는 기술을 개발하였다. 특히 정렬된 3차원 집적구조체의 경우, 기계적으로 매우 이상적인 특성을 보일 수 있는 사방정계(rhombic dodecahedra) 단위체로 구현됨을 규명하였고, 이를 통해 지금까지 보고된 탄소소재 기반 구조소재와 비교하여 세계최고수준의 초경량‧고강성‧초탄성 특성이 동시에 발현됨을 확인하였다.

* 모노리스: 단일 소재로 이루어진 단일 덩어리의 물질

규칙적이고 안정적으로 연결된 그래핀 버블의 3차원 구조체가 외력에도 강하게 버틸 수 있고, 원래 크기의 1/10 수준으로 압축된 조건에서도 외력이 없어지면 원래의 형태로 복원되는 특성을 확인함으로써, 가벼우면서도 단단하고, 외부의 충격을 효과적으로 흡수할 수 있는 뼈대구조가 필요한 차세대 운송수단 및 드론의 내부 구조재료로 활용될 수 있는 가능성을 확인하였다.

본 연구는 삼성전자 삼성미래기술육성센터의 지원으로 수행되었으며, 재료 분야의 세계적 권위지인 독일 Wiley-VCH사의 Advanced Materials (Impact Factor: 21.950) 8월 29일자 온라인에 게재되었으며, 동일 저널 11월 8일자 속표지 논문으로 선정되었다. 또한 이와 더불어 초경량 구조소재의 설계방안을 제시한 연구결과도 Advanced Materials지에 동시에 게재되어 연구의 우수성을 널리 알렸다.