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RE: RE: RE: 세계최초(?)로 측정된 그래핀 기계적 물성에 관한 질문 게시판 상세보기
제목 질문 RE: RE: RE: 세계최초(?)로 측정된 그래핀 기계적 물성에 관한 질문
작성자 전체관리자 등록일 2019-06-13 조회 365
첨부  
안녕하세요,

저희 기초과학연구원에 관심 가져주셔서 감사합니다.

해당 문의에 대해 다차원 탄소재료 연구단에 문의하였고

관련연구를 하신 연구위원님께 아래와 같은 답변을 받았습니다.

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1. 저희 실험에서 구한 그래핀은 0.8% 정도가 맞습니다. 말씀하신 20% 이상의 연신율은 콜롬비아 대학의 James Horn 교수님의 그래핀을 nanoindentation으로 찍어서 측정한 기계적 성질이 될 것 같습니다. 그럼 그 차이를 간단히 설명드릴 수 있도록 하겠습니다. 물질의 기계적 성질에 크게 영향을 미치는 인자는defect입니다. “보통 시편의 크기가 커질수록 defect를 가질 확률이 증가합니다.” James Horn 그룹에서 측정한 기계적 성질은 scotch tape방법을 통해 고품질의 그라파이트에서부터 그래핀을 박리하여 (보통 나노에서 마이크로미터 수준의 크기를 가집니다), nanometer수준의 hole을 가진 구조 위에 올려놓고(graphene 이 suspended된 상태) 이거를 수 nm의 tip으로 놀러 기계적 성질을 측정한 결과입니다. 그래핀의 사이즈도 작고, tip으로 누를 때 힘을 받는 면적도 매우 작기 때문에 거의 defect가 없는 그래핀의 본질적인 기계적 성질에 가깝게 물성이 측정될 수 있습니다. 그렇지만 실제로 우리가 사용하는 도구는 대부분 nanometer 수준이 아니며, 못해도 밀리미터 혹은 센티미터 정도는 되야합니다. 저희는 센티미터 크기의 그래핀의 물성을 tensile 모드로 측정한 것입니다. 아시겠지만 tensile은 gauge전체에 load가 가해지기 때문에, nanoindentation 과는 비교도 안될 정도로 넓은 면적에 힘이 가해지게 됩니다. 이 경우에는 파단에 nanoindentation과 비교시 훨씬 많은 defect가 기여하게 됩니다. 특히나 tensile test에서 이런 defect에 민감하게 반응하는 기계적 성질이 elongation 및 tensile stress 입니다. Load가 가해졌을 때defect로 부터 crack이 시작되어, crack이 다른 defect끼리도 연결되고, 최종적으로 물질이 가진 본질적 elongation보다 먼저 파단이 발생하게 되며, 따라서 tensile stress도 낮게 나타납니다. 물질에 defect의 그나마 영향을 덜 받는 기계적 특성 항목이 modulus 입니다. Modulus는 ‘탄성구간’ 중 가해진 힘에 대한 변형이기 때문에, crack이 발생하여 소성변형이 나타난 기여분은 자연스럽게 제외됩니다. 그래서 본 논문에서 elongation 및 tensile stress는 굳이 따로 언급하지 않은 이유입니다. 즉, 본 연구에서 elongation 및 tensile stress는 그래핀의 ‘본질적’ 성질과는 차이가 있습니다

2. 위에 답변과 마찬가지로 “보통 시편의 크기가 커질수록 defect를 가질 확률이 증가합니다.” 그래핀을 여러층 쌓으면, 당연히 측정되는 기계적 성질은 떨어집니다. 보통 우리가 말하는 재료의 기계적 성질은 ‘단위크기당’ 이기 때문에, 시편의 크기가 커지면 기계적 성질이 낮아지는 것이 일반적입니다 (기계적 물성의 크기 의존성 때문에 금속 같은 아주 오래전부터 연구되고, 상용화된 물질들은 ASTM과 같은 기계적 성질 측정을 위한 기준이 존재하기도 합니다). 또한 수천 수만층의 그래핀을 쌓을 경우에, 파단은 그 물질에서 가장 약한 부분, 즉 적층된 그래핀과 그래핀들이 서로 sliding되며 발생하게 됩니다. 그래핀 한 층내에서 원자의 결합은 강한 공유결합이지만, 다층 그래핀의 층간 결합은 약한 van der Walls 결합입니다. 그렇기 때문에 다층 그래핀의 기계적 성질은 본질적으로 단층 그래핀보다 약하게 나타나게 됩니다.

감사합니다.

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추가적으로 궁금한 사항은 다차원 탄소재료 연구단에 연락바랍니다.

감사합니다.
RE: RE: 세계최초(?)로 측정된 그래핀 기계적 물성에 관한 질문 게시판 상세보기
제목 답변 RE: RE: 세계최초(?)로 측정된 그래핀 기계적 물성에 관한 질문
작성자 김명훈 등록일 2019-06-10 조회 378
첨부  
안녕하세요?
아래 답변 글 감사드립니다.
그래핀 물성 관련 궁금점이 많이 해결된 것 같습니다.
혼합법칙을 사용하여 그래핀 실제물성을 계산한 것으로 이해를 했습니다.

2가지 추가 궁금한 사항이 있습니다.

첫 번째는 아래의 8번 항목에서 0.8%에서 파단이 발생하는 것으로 실험이 되었는데, 그래핀의 파단 연신률은 대략 20% 내외인 것으로 파악하고 있습니다. 20%에서 파단된다면 대략 강도는 1TPa의 Young's Modulus를 갖는다고 할 경우 200GPa 정도의 값이 나옵니다. 0.8%의 파단 신율을 갖는 것은 너무 작지 않나요? 실험적으로 구한 파단 정확한 연신율을 알고 싶습니다.

그리고 두 번째는 한 개의 층을 가지는 그래핀을 가지고 실험을 하셨는데, 다층 구조, 예를 들면 수천~수만개 층을 가지는 그래핀을 가지고 시험할 경우에도 동일하게 큰 Young's Modulus와 인장강도를 가지는지 궁금합니다.

관련하여 답변주시면 감사하겠습니다.





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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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최종수정일 2019-01-30 19:14