[논문]그래핀의 기계적 물성

이창구

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2차원 물질인 그래핀은 뛰어난 물리적, 화학적, 기계적, 광학적 물성으로 인해 최근 크게 각광받고 있는 신물질이다. 이 글에서는 특별히 세상에서 가장 강한 물질로 알려진 그래핀의 다양한 기계적 물성연구와 응용연구에 관해 소개하도록 한다.

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제안 방법

385-388, 2008)에 이루어졌다. 당시 연구진은 한층의 그래핀을 현재도 빈번하게 사용되는 투명 테이프를 이용한 기계적 박리법으로 1마이크론 정도의 구멍이 있는 기판에 붙인 후 자유지지박막형태의 그래핀을 원자현미경의 탐침으로 누르는 인텐데이션(indentation) 방법으로 실험하여 탄성계수와 강도를 측정하였다. 이 방법으로 얻어진 역학적 물성은 위에 언급되었다시피 탄성계수가 1.

성능/효과

이 연구결과에서는 다결정 그래핀의 결정경계면에서의 강도가 순수한 그래핀에 비해서 약 90% 정도 되는 것으로 보고되었으며, 탄성계수는 순수그래핀과 똑같음이 밝혀졌다. 뿐만 아니라, 기존의 파괴이론에서는 결정 경계면의 강도가 약하므로 크랙이나 파괴가 결정 경계면에서 생기는 것으로 알려졌으나, 이 연구에서는 결정경계면의 높은 강도로 인해 파괴가 경계면에 상관없이 아무데서나 일어남이 증명되었다. 또한 이 연구에서는 2011년의 연구에서 나타난 낮은 기계적 물성은 합성그래핀의 합성과정에서 생긴 결함이 아니라, 실제로는 역학실험을 위해 전사하는 과정에서 생긴 수많은 결함이 원인임을 밝히고, 결함을 유발하지 않는 깨끗한 전사방법을 보여주었다.
또한 파괴 시의 탄성변형률은 약 25% 정도에 이르는데, 단단한 물질 중에서 탄성변형을 일으키면서 25%까지 변형을 일으키는 물질은 거의 없는 것으로 알려져 있다. 뿐만 아니라, 높은 탄성변형 시에 응력-변형관계가 기존의 선형이 아닌 비선형을 보인다는 것도 규명되었다. 1920년 초 재료의 파괴이론을 정립한 Griffith는 재료의 파괴강도는 원자들 간의 결합력뿐만 아니라 결함에 의해 크게 좌우된다고 주장하였다.
당시 연구진은 한층의 그래핀을 현재도 빈번하게 사용되는 투명 테이프를 이용한 기계적 박리법으로 1마이크론 정도의 구멍이 있는 기판에 붙인 후 자유지지박막형태의 그래핀을 원자현미경의 탐침으로 누르는 인텐데이션(indentation) 방법으로 실험하여 탄성계수와 강도를 측정하였다. 이 방법으로 얻어진 역학적 물성은 위에 언급되었다시피 탄성계수가 1.0TPa, 기계적 파괴 강도가 130GPa으로 밝혀졌다. 측정된 그래핀의 파괴강도는 지금까지 측정된 모든 물질 중에서도 가장 높아 지구상에서 가장 강한 물질로 기록되고 있다.
0TPa 정도이며 고유파괴강도는 약 130GPa에 이른다. 지금까지 가장 단단하고 강한 물질로 알려진 다이아몬드의 탄성계수가 약 1.0-1.2TPa, 그리고 측정된 파괴강도가 대략 60GPa인 것을 감안하면, 그래핀의 역학적 물성은 다이아몬드보다 더 우수하다고 볼 수 있다. 그래핀의 기본적인 기계적 물성은 물리학자들에 의해서 양자이론의 제1원칙 계산법에 의해서 어느 정도 예측이 되었으나, 실제 측정은 발견된 지 4년 정도 지난 2008년경(C.

후속연구

물질들 중에서 가장 탄성이 높고 또 강하므로 많은 분야에 응용될 수 있을 것으로 예상된다. 가장 쉽게는 구조재료로서 자동차, 비행기 동체, 전자제품 등의 다양한 기계/기기의 본체 또는 부품에 가벼우면서 튼튼한 소재로 응용될 수 있으며, 전기가 통하면서 가볍고 튼튼한 부품, 그리고 표면을 보호할 수 있는 코팅용도로도 광범위하게 사용될 수 있을 것이다. 전세계의 여러 소재회사들뿐만 아니라 최종 제품 회사들도 그래핀을 구조재료로 이용한 제품을 개발하고자 노력하고 있다.
그 일례로 테니스용품 제조로 유명한 HEAD 사에서는 그래핀을 첨가제로 사용한 복합소재로 테니스 라켓을 개발하여 적극적으로 판촉을 벌이고 있다. 그래핀의 우수한 기계적 성질에도 불구하고 아직은 그래핀이 발견된 지 오래되지 않아 연구된 내용이 상대적으로 적어, 연구뿐 아니라 상업적 목적을 위한 개발의 여지가 무궁무진하므로 향후 기계공학도들의 많은 도전을 기대해 본다.
위의 실험결과는 이러한 이론적인 결과를 거의 완벽하게 재연했다는 데 큰 의미가 있으며, 또한 실제로 가장 광범위하게 응용될 수 있는 다결정그래핀 혹은 합성그래핀이 단결정그래핀만큼 강하다는 것은 합성그래핀의 응용가능성을 한층 높인다고 볼 수 있다. 따라서 향후 CVD 합성그래핀의 대면적 전사과정에서 결함을 최소화하게 된다면 그래핀의 우수한 성질을 그대로 유지한 여러 가지 상용제품의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
지금까지 알려진 바에 의하면 그래핀의 기계적 물성은 어떤 물질보다 뛰어나다. 물질들 중에서 가장 탄성이 높고 또 강하므로 많은 분야에 응용될 수 있을 것으로 예상된다. 가장 쉽게는 구조재료로서 자동차, 비행기 동체, 전자제품 등의 다양한 기계/기기의 본체 또는 부품에 가벼우면서 튼튼한 소재로 응용될 수 있으며, 전기가 통하면서 가볍고 튼튼한 부품, 그리고 표면을 보호할 수 있는 코팅용도로도 광범위하게 사용될 수 있을 것이다.
하지만, 산화그래핀을 이용한 구조재료는 밀도가 기존금속에 비해 약 1/3 정도에 불과하기 때문에 실제로는 무게당 역학적 성질은 아주 우수하다고 볼 수 있다. 산화그래핀의 이러한 우수한 성질로 인해 산화그래핀은 향후 구조재료로 다양하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
282-286, 2006). 이러한 성질을 이용할 때, 그래핀을 플라스틱에 첨가함으로써 강도나 탄성이 우수하면서도 전기가 통하는 재료를 쉽게 합성할 수 있어 더욱 다양한 분야에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

흑연의 결정구조를 지닌 탄소나노소재들이 큰 주목을 받는 이유는?

많은 나노소재들 중에서 이들이 그토록 큰 주목을 받는 이유는 구조가 간단하거나 지구상에서 가장 흔한 원소 중 하나인 탄소로 이루어져서만은 아니다. 이들은 흑연결정의 기본구조인 탄소들의 육각형 공유결합 형태를 가지면서 뛰어난 전기전도성, 화학적 안정성, 열전도성, 그리고 기계적 물성을 가지고 있다. 이 물질들 중에서도 가장 늦게 발견된 그래핀(2004년도 발견)은 현재 물리, 화학, 생물, 화공, 소재, 전자, 기계 분야에서 가장 연구가 활발히 진행되고 있는 물질에 속하며 세계 각국은 그 장래성으로 인해 상업화를 위한 투자를 활발히 진행하고 있다.

흑연의 결정구조를 지니는 탄소나노소재는?

풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀 등 흑연의 결정구조를 지닌 탄소나노소재들은 20세기 말에서 21세기 초에 걸쳐 약 10년 정도의 간격을 두고 연이어 발견되면서 수많은 과학자들의 관심을 받게 되었다. 그 중에 풀러렌과 그래핀은 발견된 지 얼마 되지도 않았음에도 그 발견자들에게 노벨상이 안겨지기도 하였다.

그래핀은 어떤 물성으로 각광받고 있는가?

2차원 물질인 그래핀은 뛰어난 물리적, 화학적, 기계적, 광학적 물성으로 인해 최근 크게 각광받고 있는 신물질이다. 이 글에서는 특별히 세상에서 가장 강한 물질로 알려진 그래핀의 다양한 기계적 물성연구와 응용연구에 관해 소개하도록 한다.

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