“접으면 더 강해져요!”… 12번 접은 ‘그래핀 복합체’

종이 한 장은 얇고 약하지만, 여러 번 접어 두꺼워진 종이는 단단하다. 종이처럼 얇은 그래핀(Graphene)도 접으면 접을수록 기계적 특성이 좋아진다. 최근 12번까지 그래핀 복합체를 접어 기계적 강도를 향상시킨 연구가 나와 주목받고 있다.

로드니 루오프 자연과학부 특훈교수(기초과학연구원 다차원 탄소재료 연구단장)가 이끄는 연구진은 ‘접어서(folding)’ 대면적 단층 그래핀과 고분자를 결합한 복합체를 효과적으로 만들 수 있고, 기계적 특성(강성, 강도, 인성)까지 높일 수 있다는 걸 밝혔다.

이번 연구는 2002년 미국의 고등학생이었던 브리트니 갤리반(Brittney Gallivan)의 실험에서 비롯됐다. 당시 브리트니는 1,200m 길이의 종이를 12번이나 반으로 접었다. 당대 최고의 수학자들도 종이는 최대 7번까지 반으로 접을 수 있다고 생각했는데, 이를 뒤집은 것이다.

브리트리 갤리번이 11번 접은 종이와 함께 촬영한 사진(왼쪽)과 그녀가 제시한 공식(오른쪽). 2002년에는 여기서 한 번 더 접었으며, 공식을 계산하면 이론적으로는 13번 접을 수 있다.

루오프 교수는 이 실험에서 영감을 받아 그래핀 복합체를 만드는 방법으로 ‘접기’를 선택했다. 종이처럼 얇은 막 구조인 그래핀을 고분자 박막에 붙여서 12번 접어보기로 한 것. 연구진은 화학기상증착법(CVD)로 제조한 A5 크기의 그래핀에 400나노미터(㎜, 1㎜는 10억 분의 1m) 두께의 폴리카보네이트 필름을 코팅했다. 이 상태에서 12번 접는 데 성공해 ‘그래핀–폴리카보네이트 적층복합체(그래핀 복합체)’를 제조했다.

이 연구의 제1저자인 빈 왕(Bin Wang) 기초과학연구원(IBS) 연구위원은 “그래핀은 다른 판상 물질보다 훨씬 얇아서 고분자 박막에 붙여서 여러 번 접을 수 있었다”며 “12번 접힌 그래핀 복합체는 4,096층(2의 12제곱)을 가진 약 3밀리미터(㎜) 두께의 흥미로운 덩어리 물질이 됐다”고 설명했다.

연구진은 실험을 통해 이 물질의 기계적인 특성도 확인했다. 실험을 위한 시료는 일정 수준 이상의 면적이 요구되기 때문에 10번 접은 시료들로 준비했다. 기계적 특성은 물질의 세 부분을 구부리며 관찰하는 ‘삼점 굽힘(3-point bending) 시험’으로 측정했다.

이때 만들어진 그래핀 복합체 시료는 전체 중 그래핀이 차지하는 부피가 0.085%뿐이었다. 그럼에도 불구하고 이 물질의 영 계수(Young’s Modulus)와 강도(Strength), 인성(Toughness) 계수가 각각 73.5%, 73.2%, 59.1%만큼 향상됐다. 그래핀이 1000분의 1도 첨가되지 않았는데 기계적 특성이 크게 강화된 것이다.

그래핀과 폴리카보네이트를 붙여 11번 접은 그래핀 복합체의 모습_여기서 한 번 더 접을 수 있다. | 사진: 김경채

루오프 교수는 “그래핀은 잡아 당겼을 때 강성이 가장 우수한 재료 중 하나로 만약 결함 없이 만든다면 제일 강도가 높은 재료”라며 “그래핀 접기로 나타난 적층은 복합체의 기계적 특성을 크게 강화시키는데, 이번 측정값들은 이론적 예측한 범위에서 가장 낮은 수준이므로 기계적 특성을 더욱 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

이론 연구를 진행한 KAIST의 류승화 교수와 스테파노 시네티(Stefano Signetti) 박사는 유한요소모델링(Finite Element Modeling, FEM)을 사용해 접힌 박막들의 구부러짐을 모의 실험했다. 그 결과 그래핀을 10번 접어서 1,024층이 된 경우가 단순히 쌓아서 1,024겹을 올린 구조보다 훨씬 강한 굽힘 강성을 가진다는 게 확인됐다.

함께 이론 연구와 모델링을 담당한 이탈리아 토랜토대의 니콜라 푸뇨(Nicola M. Pugno) 교수는 “접힌 구조물에는 추가적인 층간 상호작용이 나타나 더 많은 변형 에너지를 저장할 수 있다”며 “그 덕분에 연결되지 않고 한 장씩 쌓인 구조물보다 굽힘에 대한 저항이 커지고, 구부러트리려는 힘에 더 잘 버티게 된다”고 전했다.

루오프 교수는 “이번 연구는 2차원 물질을 적층시켜 3차원 다층 복합체를 설계하는 데 큰 도움이 될 것”이라며 “특별한 기능성을 갖는 다양한 2차원 나노물질들을 결합해 에너지 저장과 변환, 열 관리 등으로 응용할 크기의 재료를 확보할 수 있을 것”이라고 전망했다.

이번 연구는 재료 분야에서 세계적 권위를 인정받는 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 7월 11일자 온라인판에 발표됐다.