강철보다 120배 강한 연필심…新 복합소재 개발 가능

[아시아경제 정종오 기자] 지금보다 더 가벼우면서 훨씬 견고한 복합소재 물질이 개발될 수 있는 가능성이 열렸다.

흑연의 표면층을 한 겹 살짝 떼어낸 탄소나노물질인 그래핀이 지금까지 알려진 것보다 2배 이상 크다는 사실이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다. 새롭게 밝혀진 그래핀의 탄성률은 강철의 120배에 이른다.

서강대 정현식 교수(49세)가 주도한 이번 연구는 다양한 복합소재가 필요한 ▲항공기 ▲고속철도 ▲선박 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 전망된다. 항공기·고속철도·선박 산업은 지금보다 빠르면서 연료가 적게 드는 복합소재가 절실한 산업이다. 복합 소재는 이외에도 ▲테니스 라켓 ▲골프채 등 스포츠용품에도 널리 사용되고 있다.

탄소원자 단일층의 벌집구조로 이뤄진 그래핀은 지난 2004년 영국의 가임 교수와 노보셀로프 교수(2010년 노벨물리학상 수상)가 발견했다. 전도성이 높고 결합력이 강해 응용 가능성이 높았다. '꿈의 신소재'로 불리면서 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다.

▲정현식 교수(우)가 실험과정을 체크하고 있다.[사진제공=교과부]

지금까지 그래핀은 다이아몬드와 함께 가장 큰 탄성률을 가진 물질로 알려졌다. 강철이나 탄소섬유강화 플라스틱보다 약 50배 큰 값(약 1 테라파스칼)을 갖는다. 연구팀은 그래핀을 풍선처럼 부풀려 늘어난 정도를 정밀하게 측정한 결과 그래핀의 탄성률이 기존에 알려진 것보다 2배 이상 큰 2.4 테라파스칼(TPa)이라는 사실을 규명해 낸 것이다.

외부의 힘에 의해 쉽게 변형되지 않는 강한 구조물을 만들기 위해서는 탄성률이 큰 물질이 필요하다. 그래핀 탄성률의 정확한 값을 구해 냄으로써 앞으로 지금의 복합소재보다 더 가벼우면서도 훨씬 견고한 소재 개발의 길이 열린 셈이다.

연구팀의 성과를 바탕으로 앞으로 관련 제품의 산업화에 나선다.

정 교수는 "그래핀의 탄성률이 정확하게 측정됨에 따라 그래핀 복합소재를 이용한 구조물을 설계하는데 꼭 필요한 정보를 확보하게 됐다"며 "항공기, 고속철도 등의 연료효율이나 안정성을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 정 교수를 비롯해 이재웅 석사과정생(제1저자)과 윤두희 박사가 참여했다. 미국화학회가 발간하는 나노분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters' 9월호(논문명 Estimation of Young’s Modulus of Graphene by Raman Spectroscopy)에 게재됐다.

◆그래핀(Graphene)이란=탄소원자가 벌집모양 구조로 연결돼 있는 물질이다. 탄소원자 단일층으로 이루어진 가장 얇은 물질. 흑연(Graphite)이나 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)를 구성하는 기본 단위이다. 뛰어난 전기 전도도와 광학적 투명도를 가져 차세대 전자재료로 주목받고 있다. 기계적 특성이나 열전도 특성 등도 뛰어나 '꿈의 신소재'로 불린다.

◆탄성률(Elastic modulus)이란=물체에 변형을 가할 때 변형되는 정도와 변형을 복원하려는 힘의 관계를 나타내는 상수이다. 물질의 고유한 기계적 특성을 나타낸다.

◆테라파스칼(TPa)이란=테라파스칼(TPa)은 압력의 크기를 나타내는 단위이다. 물체의 단위면적 당 가해지는 힘을 나타낸다. 1 파스칼(Pa)은 1㎡의 면적에 1N의 힘이 가해질 때의 압력을 나타낸다. 대기압의 경우 10만1325 파스칼이다. 1 테라파스칼은 1012 파스칼, 대기압의 약 천만 배를 의미한다.