구리의 500배, 니켈보다 180배 강한 슈퍼 신소재 개발

카이스트 연구진, 그래핀을 구리와 니켈에 층간 넣어 나노복합소재 개발…네이처 자매지에 실려

[아시아경제 이영철 기자] 구리의 500배, 니켈보다 180배 강한 슈퍼 신소재가 개발됐다.

한국과학기술원(총장 강성모, 이하 카이스트)은 EEWS대학원 한승민·정유성 교수, 신소재공학과 전석우 교수 공동연구팀이 그래핀을 구리와 니켈에 사이 층에 넣어 순수소재보다 강도를 각 500배, 180배 높인 초고강도 나노복합소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

이번 연구는 나노분야의 권위 있는 학술지이자 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7월 2일자 온라인판에 실렸다.

금속-그래핀 합성과정. 화학기상증착법을 이용, 성장시킨 단원자층 그래핀을 금속이 증착된 기판에 옮기고 다시 금속을 증착하는 기존의 방법을 되풀이해서 만든다.

그래핀을 이용한 슈퍼 신소재 개발연구는 미국 육군에서 먼저 시작했다.

그래핀은 강철보다 200배 이상 강하면서도 신축성이 뛰어나고 잘 휘어지는 기계적 특성이 있다. 이 성질을 이용, 미국 육군 국방기술연구소(U.S. Army Armaments Research, Development and Engineering Center)가 그래핀조각을 금속에 섞은 복합 새 소재를 개발했지만 강도를 획기적으로 높이지는 못했다.

카이스트연구팀은 강도를 높이기 위해 금속과 그래핀을 샌드위치처럼 층상구조물의 모양으로 만들었다.

연구팀은 화학기상 증착법(기체상태의 원료 물질과 가열한 기판표면의 화학 반응을 이용, 반도체나 금속간 화합물을 합성하는 방법)으로 구리호일을 촉매로 한, 단원자층그래핀을 금속이 증착된 기판에 옮긴 다음 금속증착을 되풀이해 세계 처음으로 단원자그래핀을 포함하는 금속-그래핀 다중층복합소재를 만드는 데 성공했다.

금속-그래핀 다중층의 구조 및 모식도. 단일그래핀층을 포함하는 금속-그래핀 다중층 복합신소재는 그래핀 층이 전위의 움직임을 막아줌으로 고강도가 된다.

연구팀은 개발된 소재를 이용, 투과전자현미경 안에서의 미세압축실험과 분자동역학 시뮬레이션을 통해 강도 강화효과를 확인했다.

구리-그래핀 다중층물질에선 층간간격 70nm(나노미터) 일 때 순수구리의 500배(1.5GPa, GPa : 1㎡당 1000t의 압력을 견딜 수 있는 단위), 니켈-그래핀 다중층물질의 경우엔 층간간격이 100nm 일 때 순수니켈의 180배(4.0GPa)에 이르는 강도를 나타냈다.

한승민 카이스트 교수는 “개발한 복합신소재에서 그래핀의 질량비율은 0.0004%에 머물지만 강도가 수 백 배 강화되는 놀라운 결과를 얻었다”며 “양산에 성공하면 자동차나 우주항공용 초경량 초고강도 부품을 만들 수 있을 것”이라고 말했다.

그는 또 “이 소재는 차세대 원자로 구조재의 코팅재료나 고신뢰성이 요구되는 구조소재 적용 등 고부가가치사업으로 응용될 가능성이 높다”고 덧붙였다.

이영철 기자 panpanyz@