미국 연구진이 차세대 전자·구조 소재 등으로 주목받는 2차원 탄소 물질 그래핀(graphene)을 이용해 밀도는 강철의 5% 수준이면서 강도는 10배나 강한 3차원 그래핀 구조체를 개발했다.

미국 매사추세츠공대(MIT) 토목·환경공학과 마커스 뷜러 교수팀은 7일 국제학술지 '사이언스 어드밴스'(Science Advances)에서 원자 한 층 두께의 막인 그래핀을 이용해 강철보다 10배 강한 3차원 다공성 구조체를 만들었다고 밝혔다.

이 연구 결과는 그래핀 다공성 구조체의 기계적 특성에 대한 새로운 통찰을 제공하는 것으로 그래핀 기반 소재의 기능적 특성 예측에 기여할 것이라는 평가를 받았다.

그래핀은 탄소 원자들이 6각형 벌집 모양으로 결합해 원자 한 층 두께(0.25㎚)의 막을 이루는 물질로 뛰어난 전도성과 강도 등 물성이 우수해 차세대 전자소재는 물론 구조소재로도 주목받고 있다.

그래핀은 2차원 물질로는 알려진 것 중 가장 강한 물질로 꼽히며 이를 이용하면 매우 가볍고 강한 물질을 만들 수 있을 것으로 기대되고 있지만 과학자들은 그래핀으로 우수한 물성을 유지하는 3차원 구조체를 만드는 데에는 어려움을 겪어 왔다.

뷜러 교수는 "그래핀은 두께가 극히 얇기 때문에 자동차나 건물, 기구 등에 쓰이는 3차원 물질을 만드는 데는 별 쓸모가 없다"며 이번 연구에서 2차원 그래핀을 우수한 물성을 가진 3차원 구조로 만드는 방법을 밝혀냈다고 말했다.

연구진은 그래핀의 거동을 구조 내의 개별 원자 수준에서 분석하고, 컴퓨터 모델링을 이용해 그래핀이 강하고 안정된 3차원 물질이 될 수 있는 구조를 설계했다.

열과 압력을 가해 그래핀 조각들을 압착하는 방법으로 만드는 이 구조체는 구멍이 많아 부피에 비해 표면적이 지극히 넓은 다공성 물질로 가벼우면서도 강도는 매우 큰 것으로 나타났다.

컴퓨터 시뮬레이션 결과 이 구조체는 밀도는 강철의 5%밖에 안 되지만 강도는 10배나 컸고 3D 프린터로 만든 구조물 표본도 실험에서 정확히 일치하는 결과를 보였다.

뷜러 교수는 3차원 다공성 구조체의 뛰어난 강도의 비밀은 그래핀이라는 소재가 아니라 그 구조에 있다며 이는 종이 한 장은 매우 약하지만 이를 원통으로 말았을 때 강한 힘을 내는 것과 같은 원리라고 설명했다.

그는 "이 구조체를 가벼우면서 강한 물성이 필요한 다양한 용도에 활용할 수 있을 것"이라며 "그래핀을 사용할 수도 있고 고분자나 철 같은 다른 소재를 이번에 발견한 기하학적 구조로 제작하면 가볍고 강한 구조체를 만들 수 있을 것"이라고 말했다.