로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단장기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 특훈교수) 연구팀이 처음으로 초박막 그래핀(Graphene)의 기계적 특성을 밝혀내는데 성공했다고 7일 밝혔다.
연구진은 상온에서 쉽게 승화되는 캠퍼를 인장시험의 지지층으로 사용하는 방식으로 기계적 특성을 알아냈다.
이번 연구는 그래핀을 포함한 여러 초박막 재료의 기계적 특성을 확인하기 위한 혁신적인 방법을 제시한다.
그래핀은 인공적으로 만든 물질 중 가장 얇지만 기계적 강도가 강하고 전도도가 높아 꿈의 나노물질로 주목받고 있는 차세대 2차원 물질이다. 하지만 그래핀과 같은 박막시료는 고유의 얇은 두께로 인해 기계적 강도 측정을 위한 인장시험이 어려웠다. 인장시험을 위해서는 박막시료 위에 지지층을 두어 전사시켜야 하는데 전사이후 지지층을 제거하는 과정에서 시료에 손상을 입히는 경우가 많고 지지층이 남아있는 상태에서는 지지층 자체의 물성으로 박막시료 고유의 성질을 측정할 수 없다.
연구진은 이러한 특성을 고려해 공기중에 비교적 낮은 온도에서 승화하는 캠퍼라는 재료를 지지층으로 사용했다. 캠퍼는 초박막 그래핀 시료를 고정시킨 이후 승화를 통해 기체로 제거되기 때문에 물리적 손상을 최소화하며 인장시험을 가능하게 한다.
먼저 연구진은 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide)에 인장시험을 시도했다. 이 결과 기존에 불가능했던 35㎚두께의 초박막 그래핀 옥사이드 시료를 1㎠의 기판에 전사하는데 성공했다. 또한 인장하중과 인장탄성률, 인장강도를 측정하게 할 수 있었다. 이는 이전에 학계에 보고된 2㎛ 두께보다 훨씬 더 얇은 그래핀 옥사이드 시료의 기계적 특성의 측정이다.
이후 이 방법을 화학기상증착법(CVD)으로 만든 단층 그래핀(다결정 그래핀, 단결정 그래핀에 가까운 고배향성 그래핀)에 적용시켜 보았다.
연구진은 CVD방법으로 성장시킨 그래핀을 100㎚의 폴리카보네이트 필름에 전사해 결과를 확인했다. 먼저 다결정 그래핀을 폴리카보네이트에 전사해 인장시험을 시도한 결과, 637~793GPa의 영률을 측정하는데 성공햇다.
그리고 단결정 그래핀에 가까운 고배향성 그래핀을 폴리카보네이트에 전사해 기계적 특성을 시험했다. 측정결과 접힌부분이 수직방향일 경우 683~775GPa, 접힌부분이 수평방향일 경우 725~905GPa의 영률을 측정하는데 성공했다. 이는 최초로 단층 그래핀 필름의 인장을 측정한 것이다.
이번 연구를 이끈 루오프 단장은 “일반적으로 사용되는 인장시험 장비로 초박막 그래핀 필름의 기계적 시험을 가능하게 한 이번 연구 성과는 그래핀을 포함한 여러 박막 재료의 기계적 성질을 측정하는데 있어 매우 선구적인 방법을 제시한 ”이라며 “이번 연구성과는 향후 그래핀의 기계적 특성을 시험하는 표준이 될 것으로 확신한다”고 말했다.
/대전=박희윤기자 hypark@sedaily.com
