'꿈의 물질' 그래핀 섬유가 벨트처럼 납작해진다

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구팀이 그래핀의 기존 응용범위와 한계를 뛰어넘는 새로운 형태의 그래핀 섬유를 만들었다.

한국과학기술원(KAIST)은 김상욱 신소재공학과 교수 연구팀이 스스로 납작해지는 똑똑한 2차원 그래핀 섬유를 개발했다고 13일 밝혔다.

2차원 소재의 자발적 평탄화 현상을 통해 만드는 납작한 그래핀 섬유 제작과정 모식도.<자료=한국과학기술원>

그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이뤄진 2차원 물질이다. 이론적으로 강철보다 100배 강하고 열·전기 전도성이 뛰어나 꿈의 신소재로 불린다. 최근 마스크, 운동화, 골프공에 그래핀을 소량 첨가한 응용제품들도 나오고 있다.

연구팀이 개발한 기술을 적용하면 연필심 등에 쓰이는 값싼 흑연에서 쉬운 용액공정을 통해 그래핀을 얻을 수 있다. 기존 탄소섬유보다 값이 싸면서 차별화된 물성을 지녀 경제성까지 갖췄다.

연구팀은 100% 그래핀으로 이뤄진 섬유가 만들어지는 과정에서 스스로 납작해져서 벨트와 같은 단면을 갖는 현상도 발견했다. 일반섬유는 단면이 원형으로 이뤄져 있지만, 원자단위의 평평한 2차원 소재인 그래핀으로 이뤄진 섬유는 단면이 납작한 형태가 안정적인 구조라는 것을 알아낸 것이다.

연구팀이 개발한 납작한 벨트형 그래핀 섬유는 내부에 쌓인 그래핀의 배열이 우수해 섬유의 기계적 강도와 전기전도성도 향상됐다. 원형 단면을 갖는 일반섬유와 대비해 각각 기계적 강도는 약 3.2배, 전기전도성은 약 1.5배 향상됐다.

또 납작한 면 방향으로 쉽게 구부러지는 유연한 섬유를 만들 수 있어 유연한 소자나 웨어러블 소자에 활용할 수 있다.

김상욱 교수는 “그래핀과 같은 2차원 소재로 섬유를 만들면 납작한 벨트 형태가 이상적인 배열구조”라면서 “납작한 그래핀 섬유는 납작한 면 방향으로 유연한 성질을 지녀 잘 부러지던 기존 탄소섬유의 문제를 해결할 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 종합화학 분야 국제학술지인 ‘ACS 센트럴 사이언스(ACS Central Science)’에 지난 6월 11일자 온라인판에 게재됐다.