기계/재료

단일층 그래핀에 대한 정량적 인장시험 구현

발행일 : 2020 / 01 / 21

홍콩시티대(CityU HK)/칭화대 연구팀은 공동으로 정밀 대면적 그래핀 전이, 샘플 형태 제어, 스트레인 로딩(Strain loading) 기술을 개발함과 아울러 이를 기반으로 주사전자현미경 실시간 관측 하에 단일층 그래핀에 대한 정량적 인장시험을 구현하였다. 해당 결과 및 실험기술은 동종 “슈퍼소재”의 실제 역학성능기준 제정에 일조함과 아울러 해당 고성능 재료의 다양한 영역에로의 응용을 촉진할 전망이다. 해당 성과는 “Nature Communications”에 게재되었다.

기존의 대량 이론적 계산에 의하면 단일층 그래핀은 매우 높은 탄성계수와 강도를 보유하는 등 광범위한 응용잠재력이 있는 “슈퍼소재”로 여겨지고 있다. 하지만 단일층 그래핀은 얇은 한 층의 원자만 보유한 구조이기에 그에 대한 정량적 역학실험을 수행하려면 해결해야 할 어려움이 적지 않다.

실험 결과, 인장 조건에서 화학기상증착으로 제조한 고품질 단일층 그래핀의 완전 가회복 탄성변형은 5%, 파괴 변형(breaking strain)은 약 6%, 탄성계수는 이론값에 근접하는 약 1,000MPa, 인장강도는 50~60MPa에 달했다. 연구팀은 실험을 통해 단일층 그래핀이 매우 양호한 탄성변형력을 보유함을 입증함으로써 격자 변형 제어를 위해 기반을 마련하였다.

기존의 연구는 일반적으로 그래핀의 이론적 성질 및 국지적 범위에서의 이상적 한계를 제시하였을 뿐 비지지(unbraced) 대면적 단일층 그래핀에 대한 인장시험은 사실상 수행한바 없다. 연구팀은 단일층 그래핀 실험의 어려움을 극복하고 최초로 실제 응용장면에 가까운 인장 조건에서 그 역학성질이 이론적 한계에 근접함을 실험을 통해 입증하였다.

현재 그래핀 산업응용과 관련해 국제기준 제정의 목소리가 높은 상황에서 해당 성과는 그래핀의 실제 역학성능기준 형성에 일조함과 아울러 관련 고성능 재료의 보다 향상된 항공기, 고속철 경량화 부품, 보다 강인(toughness)한 유연성 터치스크린 등 제조 분야로의 응용을 촉진할 전망이다.

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