黑風傳設
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폴리머(polymer) 나노복합물(nanocomposite)의 특성을 향상시킨 그라핀(graphene)
 탄소소재세계 2008/06/20 12:11
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1960년대부터 폴리머(polymer)에 기반한 복합물(composite)이 재료 분야에서 새로운 패러다임으로 등장하게 되었다.
폴리머 매트릭스 내에서 강하고, 단단한 섬유들이 분산되어 고성능이면서도 가벼운 복합물이 생성될 수 있는데 이 성질을 이용하여 다양한 응용 분야로의 연구가 이루어져 왔다. 오늘날에는 이에 더하여 폴리머 나노복합물(polymer nanocomposite) 개발이 활발히 이루어지고 있고, 이것이 실현된다면 재료 분야에서 다시 한 번 큰 도약이 일어날 것으로 예측되고 있다.
폴리머 나노복합물은 강하면서 내구성도 좋고 다양한 기능을 하도록 만들 수 있어서 그 가능성이 매우 크다. 그렇지만 나노입자의 가격과 기존 기술과의 호환성 문제 때문에 산업에 적용되지 못하고 기술 개발 한계에 부딪쳐 있는 상황이다. 이와 관련하여 그라핀(graphene) sheet으로 기능화된 폴리머 나노입자를 이용하여 이러한 한계를 극복할 가능성을 보여준 연구 결과가 있어서 이를 소개하고자 한다.
Graphene(그라핀)은 2004년 영국 맨체스터 대학교의 앙드레 게임 팀과 러시아 마이크로일렉트로닉스 연구소의 연구팀이 처음 만든 것으로 겨우 원자 한 개의 두께를 가진 2차원 탄소 구조체이다. 이 재료는 연필에서 발견되는 흑연(graphite,그라파이트)에서 만들어진다.
Graphene은 몇 가지 비범한 물리적 성질을 갖고 있다. 이 성질들 중 하나는 graphene 내의 전자들이 정지 질량이 없는 상대론적 입자처럼 행동하고 약 초속 1 백만 미터로 움직인다는 것이다. 비록 이 속도가 진공 중의 빛의 속도보다 300배나 느린 것이지만 일반 도체나 반도체 내의 전자의 속도보다는 훨씬 빠른 것이다.
또한 게임과 맨체스터, Chernogolovka, 네덜란드 Radboud 대학교의 동료들, 그리고 이들과 별개로 콜롬비아 대학교의 김필립은 이러한 새로운 탄소 형태의 전자적 특성을 연구해 이 구조가 훌륭한 전도체라는 것을 발견했다. 같은 영국-러시아 연구팀은 graphene으로 고속 트랜지스터를 만든 바도 있었다. 2007년에는 Oxford 대학교의 세르게이 미하일로브가 graphene에 전자기파를 쏘이면, 더 높은 주파수의 전자기파를 방사하고 따라서 주파수 증가기(multiplier)로 사용할 수 있다는 연구 결과를 발표하기도 하였다.
미국 물리학회(APS)와 영국 학술지 `Nature Nanotechnology`는 graphene을 미래 정보기술을 바꿀 가장 주목할 만한 신소재로 꼽고 있으며, 미국 매사추세츠공대(MIT)가 펴내는 ‘테크놀로지 리뷰’도 얼마 전 graphene 트랜지스터를 10대 유망 기술 중 하나로 꼽기도 했다.
이렇듯 차세대 전자소자를 위한 재료로 각광을 받고 있는 graphene은 발견된 지 4년이 채 지나지 않았지만 세계적인 관심을 받으며 많은 연구가 이루어지고 있다.
이번에 소개하려고 하는 연구도 이렇게 각광받고 있는 graphene을 이용하여 기존의 기술에서 한계에 부딪쳤던 문제를 극복했다는 점에서 많은 관심을 받고 있다. 미국과 아랍의 연구팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 “Functionalized graphene sheets for polymer nanocomposites.”란 제목으로 Nature Nanotechnology에 최근 소개되었다.
연구팀은 기능화된(functionalized) 그라핀 sheet을 질량의 1% 비율로 첨가하면 유리 전이 온도(glass transition temperature)가 40도 변화한다는 것을 관찰하였고, 0.05%만 넣었을 경우에도 30도나 변화한다는 것을 확인하였다. 또한 그라핀을 추가하였을 경우 그 강도와 열적 안정성도 훨씬 증가하는 것을 관찰하였고, 이는 특성이 좋다고 알려진 단일벽 탄소 나노튜브-폴리머 합성물(single-walled carbon nanotube-poly composite)의 특성과도 견줄만하다고 밝히고 있다.
그림 1은 기능화된 그라핀 sheet이 주름진 구조를 갖는다는 것을 보여주는 현미경 사진이고, 그림 2에서는 그라핀 첨가에 따른 나노입자-폴리머 상호관계 및 그 계면 특성을 변화를 보여주고 있다. 그림 3은 그라핀 첨가에 따른 유리 전이 온도의 변화를 %로 표현하여 그래프화 한 결과이다.
그림 1
그림 2
그림 3
새로운 물질의 첨가로 인해 향상된 성능을 얻는 것은 과학 기술 발전에 있어서 많이 수행되어 온 방식이다. 이는 기존의 기술을 이용할 수 있다는 점에서 새로운 공정 개발의 비용이 들지 않는다는 장점이 있으면서 새로운 기술의 효과로 시너지를 얻을 수 있다는 점에서 산업적으로도 매우 선호되는 결합이라고 할 수 있다. 최근 나노입자를 이용하여 디젤 연료의 효율을 향상시킨 것도 이러한 연구의 일환이라고 볼 수 있을 것이다. 이번 연구도 폴리머 나노복합물에 그라핀을 결합하여 원하는 특성을 얻었다는 점에서 크게 주목해야할 결과라고 판단이 되며 이로 인해 더 좋은 전자 재료들이 나와서 전자 소자의 특성 향상에 기여하기를 기대해 본다.
