안녕하세요,
저희 기초과학연구원에 관심 가져주셔서 감사합니다.
해당 문의에 대해 다차원 탄소재료 연구단에 문의하였고
연구위원님께 아래와 같은 답변을 받았습니다.
----------- 아 래 -----------
1. 영률은 쉽게 말하면 탄성변형구간에서의stress/strain입니다. 즉, 직선구간의 기울기입니다. 인장강도는 보통 Ultimate tensile strength를 의미하는 경우가 대부분인데, 파단시의 stress 값이 됩니다.
2. 그래핀의 두께는 약 0.3 nm입니다. 이렇게 얇은 소재는 tensile test를 진행할 수가 없습니다. 너무 쉽게 부러집니다. 그래서 본 연구에서는 supporting layer 로 polycarbonate(PC)를 사용했습니다.
3.100nm 두께의 PC 와 그래핀 복합체의 영률은, 대충 30 MPa, 0.6% strain이 탄성변형구간이라고 하면, 30/0.006 = 5GPa 정도가 됩니다.
4.100nm PC 자체의 영률은 대충 10 MPa, 0.6% strain이라고 하면, 10/0.006= 1.6 GPa 정도가 됩니다.
5. 그러면 0.3nm 두께의 그래핀에 의한 영률 증가가 3.4 GPa 정도가 된다는 것을 알 수 있습니다.
6. 복합체에서는 혼합법칙 (rule of mixture)라는 법칙이 있습니다. 쉽게 설명하자면 100이라는 강도를 가진 물질 30%와 50이라는 강도를 가진 물질 70%를 통해 만들어진 복합체의 강도는(100 x 0.3) + (50 x0.7) = 75 의 강도를 가지게 됩니다.
7. 이제 혼합법칙을 통해 그래핀의 영률을 산출해 봅시다.
PC 그래핀 복합체에서 PC는 100 nm 이고 그래핀은 0.3 nm 이니 각각의 분율은 99.7%와 0.3% 정도가 되겠네요.그러면 (0.997 * 1.6 GPa) + (0.003 * X) = 5 GPa 이라고 할 경우, 그래핀 자체의 영률은 약 1TPa 이상이 나오네요.
이것은 설명을 위해 strain/stress값을 대충 넣어서 이런 것인데, 아마 수치를 정확히 사용한다면 논문에 게시한 정도의 영률이 나올 것입니다.
8. 그래핀은 약 0.8% 정도에서 파단됩니다. 영률은 물질 고유의 특성입니다. 0.8% 이상의 strain에서는 graphene 이 파단되어 더 이상 영률 향상에 기여하지 못하기 때문에 0.8% 이상에서는 PC그래핀 복합체의 기울기가 순수 PC의 기울기가 거의 같아지는 걸 보실 수 있으실 겁니다.
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앞으로도 IBS 연구에 응원부탁드립니다.
감사합니다.
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