속담에 백지장도 맞들면 낫다는 말이 있다. 서로 힘을 합하면 일이 더 수월하게 해결된다는 의미다. 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단이 그래핀을 맞들어 더 강력해진 신소재를 개발했다.

▲ 흑연은 철강, 반도체, 태양광, 에너지 등 여러 산업 분야에 널리 쓰이는 원료다. IBS 다차원 탄소재료 연구단은 그래핀을 100겹 쌓아 천연 흑연보다 60배 강한 인공 흑연을 합성하는 데 성공했다. (출처: 위키미디아)

로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단장 팀은 그래핀 박막 100장을 쌓아올려 기존 흑연보다 60배 이상 강한 인공 흑연을 합성했다고 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 6월 3일자 온라인 판에 발표했다.

자연에서 발견되는 흑연, 즉 천연 흑연은 탄소 원자로만 구성된 물질이다. 흑연의 각 층은 그래핀이라고도 불리는 탄소원자들이 육각형 형태로 배열된 상태다. 천연 흑연은 각 그래핀 층이 규칙적인 배열을 가지고 적층된 구조를 띈다.

이번 연구에서 연구진은 그래핀 층이 불규칙적으로 적층된 구조를 가진 새로운 흑연을 합성했다. 우선 화학기상증착법을 통해 수 cm 크기의 대면적 그래핀을 성장시킨 후, 각 층을 하나하나 쌓아올려 100층 두께의 흑연박막을 제조했다. 이후 제조한 흑연을 2800도의 고온에서 열처리를 진행해 더 안정적으로 만들었다.

이렇게 제작된 ‘100겹 그래핀’은 천연 흑연과 달리 각 층이 불규칙하게 배열된 구조를 갖는다. 분석 결과 이 신소재의 인장강도는 6GPa(기가파스칼)로 천연 흑연보다 60배가량 강한 것으로 나타났다. 이는 비행기의 외장재 등으로 사용되는 탄소 섬유와 유사한 정도다. 또 천연 흑연보다 20% 이상 열을 잘 전달하는 것으로 나타났다. 100겹 그래핀의 열전도도는 단결정 다이아몬드 수준인 것으로 확인됐다.

연구의 제1저자인 빈왕 IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구위원은 “불규칙한 적층 구조로 인해 천연 흑연보다 우수한 기계적 강도와 열전도도를 가지게 된 것”이라며 “기존에도 그래핀을 적층시켜 인공적으로 흑연을 합성하려는 시도는 있었지만, 수 나노 혹은 마이크로미터 수준의 작은 면적으로 제작하는 것이 한계였다”고 말했다.

▲ 그래핀 층이 적층된 모습을 보여주는 투과전자현미경(TEM) 이미지(왼쪽). ‘100겹 그래핀’의 기계적 강도를 측정해 본 결과(오른쪽) 천연 흑연보다 60배가량 강한 것으로 나타났다.

루오프 단장은 “자연 상태의 재료와 동일한 원소로 구성되지만, 성능은 대폭 향상된 새로운 재료를 실험실에서 합성한 것”이라며 “그래핀 적층을 통해 천연 흑연보다 훨씬 우수한 성능을 가진 새로운 형태의 흑연을 산업계에 응용할 수 있는 길을 열었다”고 말했다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬