KAIST, 스스로 납작해지는 똑똑한 2차원 그래핀 섬유 개발

김영섭 기자 입력 : 2020.08.14 19:35

신소재공학과 김상욱 교수 연구팀, 그래핀 섬유가 스스로 벨트 형태로 납작해지는 현상 세계 최초로 발견

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[뉴스투데이=김영섭 기자] 그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이뤄진 2차원 물질(원자만큼 얇은 물질)이다. 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.
 
KAIST(총장 신성철) 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀은 그래핀의 기존 응용범위와 한계를 뛰어넘는 새로운 형태의 그래핀 섬유를 개발하는 데 성공했다고 14일 밝혔다. 이번 기술은 연필심 등에 쓰이는 값싼 흑연으로부터 손쉬운 용액공정을 통해 얻을 수 있고 기존 탄소섬유보다 값이 싸며 유연성 등 차별화된 물성을 지니고 있어 경제성까지 갖췄다는 게 가장 큰 특징이다.
 

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종합화학 분야 저명 국제학술지인 ‘ACS 센트럴 사이언스(ACS Central Science)’ 7월호 표지논문(Front cover)으로 선정됐다. [사진제공=KAIST]

 

연구팀의 이번 성과가 높게 평가받는 이유는 100% 그래핀으로 이뤄진 섬유가 만들어지는 과정에서 스스로 납작해져서 벨트와 같은 단면을 갖는 현상을 세계 최초로 발견했다는 점이다. 통상적으로 일반섬유는 그 단면이 원형으로 이뤄져 있는 반면 원자 단위의 평평한 2차원 소재인 그래핀으로 이뤄진 섬유는 단면이 납작한 형태가 안정적인 구조라는 점을 김 교수팀이 규명한 것이다.
 
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. 또 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.
 
연구책임자인 김상욱 교수는 “그래핀과 같은 2차원 소재로 섬유를 만들면 납작한 벨트 형태가 이상적인 배열구조ˮ라면서 “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 덧붙였다.
 
KAIST 신소재공학과 정홍주 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구(논문명: Self-Planarization of High-Performance Graphene Liquid Crystalline Fibers by Hydration)는 종합화학 분야 저명 국제학술지인 ‘ACS 센트럴 사이언스(ACS Central Science)’ 6월 11일자 온라인판에 게재됐다. 또 연구성과의 중요성을 인정받아 7월 22일 발간된 같은 학술지 7월호 표지논문(Front cover)으로 선정되는 한편 에디터에 의해 하이라이트(First Reaction: High-Performance Graphene Fibers Enabled by Hydration)됐다. 

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