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[국내] 연필심으로 강철보다 120배 강한 소재 가능 더 빠르고 안전한 항공기와 고속철도 개발 토대 마련
2012-12-13



국내 과학자가 그래핀의 탄성률이 기존에 알려진 것보다 2배이상 크다는사실을 밝혀냈다. 이로써 현재보다 더욱 빠르고 안전한 항공기와 고속철도개발이 가능해졌다.
자료제공 서강대학교 물리학과 정현식 교수 02-705-8434, 교과부 기초연구지원과 최도영 과장 02-2100-6829

흑연의 표면층을 한 겹만 살짝 떼어낸 탄소나노질인 그래핀Graphene의 탄성률이 지금까지 알려진 것보다 2배 이상 크다는 사실(강철의 120배)이 국내 연구진에 의해 밝혀짐에 따라 매우 강하면서도 가벼운 복합소재 개발에 가능성이 열렸다.
서강대 정현식 교수가 주도하고 이재웅 석사과정생과 윤두희 박사가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원, 미래 기초과학 핵심리더 양성 및 글로벌 프론티어 사업의 지원으로 수행했다.

복합소재는 보다 빠르면서도 연료가 적게 드는 항공기와 고속철도(KTX) 개발 등에 다양한 형태로쓰이고 있다. 그 중에서도 탄소섬유강화 플라스틱은 가장 대표적인 복합소재로 ▲항공기 ▲고속철도▲선박뿐만 아니라 ▲테니스 라켓 ▲골프채 등 스포츠 용품에도 널리 활용되고 있다.
탄소원자 단일층의 벌집구조로 이루어진 그래핀은 2004년 영국의 가임 교수와 노보셀로프 교수가발견한 이래 전도성과 전하이동도가 높고 결합력이강해 향후 응용 가능성이 많아 '꿈의 신소재'로 불리면서 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다.

그래핀Graphene
탄소 원자가 벌집 모양 구조로 연결돼 단일층으로 이뤄진 가장 얇은 물질. 흑연(Graphite)이나 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)를 구성하는 기본 단위이기도 하다. 뛰어난 전기전도도와 광학적 투명도를 가져서 차세대 전자재료로 주목받고 있으며 기계적 특성이나열전도 등도 뛰어나'꿈의 신소재'로 불린다. 2010년에 그래핀을 처음 제작해 측정한 영국의 가임Geim과 노보셀로프Novoselov는 그 공로를 인정받아 2010년 노벨 물리학상을 수상했다.


탄성률(Elastic modulus)
물체에 변형을 가할 때 변형되는 정도와 변형을 복원하려는 힘의관계를 나타내는 상수로 물질의 고유한 기계적 특성을 나타낸다.
영률(Young's modulus)은 탄성률의 일종으로 어떤 물체를 잡아당겨길이를 두 배로 하는 데 필요한 단위면적당 힘을 의미. 단위는 압력과 같이 단위면적당 힘을 나타내는 파스칼(Pa, 1Pa은 1㎡의 면적에 1N의 힘이 가해질 때의 압력)을 사용한다.


탄소섬유강화 플라스틱
강도와 내구성이 좋고 가벼운 재료를 만들기 위해 플라스틱에 섬유 물질을 섞은 섬유강화 플라스틱이 널리 사용되고 있다. 그중에서 탄소섬유를 섞어 만든 탄소섬유강화 플라스틱은 매우 높은 강도를 가지면서도 가벼워 고속철도, 선박에서부터 스포츠 용품에 이르기까지 광범위하게 이용되고 있다.


테라파스칼(TPa)
압력의 크기를 나타내는 단위 테라파스칼(TPa)은 물체의 단위면적당 가해지는 힘을 나타내며 1 파스칼(Pa)은 1㎡의 면적에 1N의 힘이 가해질 때의 압력을 나타낸다. 대기압의 경우 10만 1325 파스칼이며 1 테라파스칼은 1012 파스칼, 즉 대기압의 약 천만 배를 의미한다.


라만분광법(Raman Spectroscopy)
라만산란 현상을 이용한 분광분석 방법으로 인도의 라만(C. V.Raman, 1930년 노벨 물리학상 수상)이 1928년에 발견했다. 물질에쪼인 빛이 물질 내 원자의 고유 진동에 의해 에너지를 잃고 산란되는 라만산란 신호를 분석해 물질의 구조를 파악하는 측정 방법.

외부의 힘에 의해 쉽게 변형되지 않는 강한 구조물을 만들기 위해서는 탄성률이 큰 물질이 필요하다. 지금까지 그래핀은 다이아몬드와 함께 가장 큰탄성률을 가진 물질로 강철이나 탄소섬유강화 플라스틱보다 약 50배 큰 값(약 1 테라파스칼)을 갖는것으로 알려져 있었다.
정현식 교수 연구팀은 그래핀을 풍선처럼 부풀려늘어난 정도를 정밀하게 측정한 결과, 그래핀의 탄성률이 기존에 알려진 것보다 2배 이상 큰 2.4 테라파스칼(TPa)이라는 사실을 규명했다.
정 교수팀은 우선 실리콘 기판에 둥근 우물 모양의 구멍을 판 후 그래핀으로 구멍을 덮어 측정에 필요한 시료를 만들었다. 그 후 시료를 진공 상태의구멍에 넣으면 우물 안에 갇힌 공기의 압력에 의해그래핀이 늘어나면서 부풀어 올라 풍선모양이 된다. 이 때 탄성률이 크면 클수록 덜 부풀게 된다.
연구팀은 기존과는 다른 새로운 측정법(라만분광법)을 이용해 그래핀의 늘어난 정도를 정밀하게 측정하고 이 측정값을 수치 해석과 비교해 그래핀 탄성률의 정확한 값을 구하는데 성공했다.
정현식 교수는"그래핀의 탄성률이 정확하게 측정됨에 따라 그래핀 복합소재를 이용한 구조물을
설계하는데 꼭 필요한 정보를 확보하게 됐다"며"이를 이용해 항공기, 고속철도 등의 연료 효율이나 안정성을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대한다"고 연구 의의를 밝혔다.

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