사진 왼쪽부터 KAIST EEWS 대학원 한승민·정유성 교수, 신소재공학과 전석우 교수© News1


금속의 강도를 수백 배 높인 슈퍼 신소재가 개발됐다. KAIST는 3일 EEWS 대학원 한승민·정유성 교수, 신소재공학과 전석우 교수 공동연구팀이 구리와 니켈에 그래핀을 층간 삽입해 원 소재보다 강도를 각각 500배, 180배 높인 초고강도 나노복합소재를 개발했다고 밝혔다.

이 신소재를 이용해 자동차, 우주항공용으로 초경량 초고강도의 부품제작이 가능할 것으로 보인다.

그래핀은 강철보다 200배 이상 강하면서도 신축성이 뛰어나고 잘 휘어지는 기계적 특성이 있다. 하지만 최근 미국 육군 국방기술연구소가 이 성질을 이용한 복합 신소재를 개발했지만 강도를 획기적으로 높이지는 못한 것으로 알려졌다.

KAIST 연구팀은 강도 증가 효과를 극대화하기 위해 금속과 그래핀을 샌드위치처럼 층상구조물의 형태로 만들었다.

구리 호일을 촉매로 한 단 원자층 그래핀을 금속이 증착된 기판에 옮긴 다음 금속 증착을 반복하는 화학기상 증착법을 이용했다.

이같은 단원자 그래핀을 포함하는 ‘금속-그래핀 다중층 복합소재’를 제작한건 세계적으로도 처음이다.

연구팀은 실험을 통해 이 소재의 강도 강화효과와 그래핀 경계면에서의 전위 거동을 원자 수준에서 규명했다.

구리-그래핀 다중층 물질에서는 층간 간격 70nm일 때 순수 구리의 500배(1.5GPa, GPa : 1㎡당 1000톤의 압력을 견딜 수 있는 단위), 니켈-그래핀 다중층 물질의 경우에는 층간 간격이 100nm 일 때 순수 니켈의 180배(4.0GPa)에 달하는 강도를 나타냈다고 한 교수는 밝혔다.

아울러 금속 층의 두께에 따라 강도의 제어가 가능하다는 것이 입증됐다.

다중층 구조에서는 층간 거리가 줄어들수록 전위가 다른 층으로 움직이는 것이 어려워 강도가 증가하는 특성을 보였다는 설명이다.

이번 연구를 주도한 한 교수는 “이번에 개발한 복합 신소재에서 그래핀의 질량비율은 0.0004%에 불과하지만 강도가 수 백 배 강화되는 놀라운 결과를 얻었다”며 “이 성과를 바탕으로 롤투롤(roll-to-roll) 공정이나 금속소결 공정을 통해 양산에 성공한다면 자동차나 우주항공용 초경량 초고강도 부품을 제작할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 글로벌프론티어 사업과 KAIST EEWS·KINC 사업, KISTI 슈퍼컴퓨터 자원을 지원받아 한국과학기술정보연구원, 한국기초과학지원연구원, 미국의 스탠포드대, 콜럼비아대와 공동연구로 수행됐다.

연구 결과는 나노분야 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7월 2일자 온라인판으로 게재됐다.


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