| 레이저 3D 프린팅 기술로 원자 두께의 그래핀 제조 | ||
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 최근, 중국 톈진(天津)대학과 미국라이스대학 연구팀은 레이저 3D 기술을 사용하여 cm급 원자 두께 그래핀 물체의 프린팅 실험에 성공하였다. 해당 연구 성과는 ‘Three-Dimensional Printed Graphene Foams’ 제목으로 ‘ACS Nano’에 온라인으로 게재되었다. 그래핀은 10년간 가장 많이 연구된 나노재료 중 하나이다. 그래핀은 2차원 순수 탄소 박편으로 아주 높은 강도와 전기전도성을 보유하고 있어 나노전자학에서 골이식 자재에 이르기까지의 광범위한 영역에 응용할 수 있다. 하지만 대다수 산업응용에서는 대량의 3차원 구조 그래핀을 필요로 하기에 간단한 방법을 통한 대량적 3차원 그래핀 제조 관련 연구가 많이 이루어졌다. 기존 연구에서 Tour실험실은 나노튜브에 분말형 니켈 촉매와 당을 혼합하는 방법으로 탄소를 획득하였다. 연구팀은 해당 물질의 건조 과립을 나사못 형태의 스틸 몰드에 넣고 압착하였고 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 사용하여 당에 함유된 탄소를 그래핀으로 전환시켰다. 그다음 소량의 잔류 니켈을 제거하여 최종 순수 탄소로 구성된 나사못 형태의 그래핀폼을 얻었다. 동 그래핀폼은 ‘철근그래핀’으로도 불리는데 본체 형태를 유지하면서 자체 중량의 3,000배에 해당하는 무게를 지탱할 수 있다. 그러나 ‘철근그래핀’ 제조를 위해 사전에 3-D 몰드를 제작해야 하고 1,000℃ CVD 공법과 3시간에 달하는 가열 및 냉각을 필요로 하는 등 번거로움이 존재한다. 중·미 연구팀은 이번 연구과제를 통해 비그래핀 원재료를 사용하여 대량 그래핀을 간단하게 제조하는 경로를 찾았다. 연구팀은 일반적인 3D 프린팅 기술을 이번 연구과제에 적응시켰고 실온에서 시행하는 기술을 사용하여 그래핀폼의 핑거팁 블록을 제조하였다. 해당 방법은 냉간압축 몰드 및 고온 CVD처리가 필요 없고 또한 당 분말과 니켈 분말로만 구성된 원재료가 있으면 되기에 간단하면서도 효과적이다. 해당 방법을 사용하여 철근그래핀 프린팅 외에, 전구체 분말 교체를 통해 질소와 황이 도핑된 그래핀폼을 제조하는 등 특정 유형의 그래핀폼을 생산할 수 있다. 연구팀은 레이저 소결 3D 프린터의 일종인 이산화탄소 레이저를 사용하여 그래핀 블록을 생산하였다. 당 분말과 니켈 분말에 레이저 조사시 당은 융해되고 니켈은 촉매 역할을 한다. 그리고 혼합물이 냉각됨에 따라 밀도가 낮고 공극이 큰 그래핀이 형성되는데 이러한 모세공은 재료 전체 부피의 99%를 차지한다. 뿐만 아니라 반복적인 레이저 조사 과정을 통해 그래핀 한계 생산시간, 레이저 한계 출력, 유효 파라미터 조합을 확정하였다. 해당 방법을 통한 3D 그래핀폼 제조는 쾌속 성형 및 3D 탄소재료 응용을 구현하였고 에너지 저장, 댐핑, 흡음 등 분야에서 다양한 용도로 응용할 수 있다. 세계 최초로 진행된 이번 연구에서 비그래핀 원재료를 사용한 3D 그래핀폼 제조를 구현하였다. 또한 해당 방법은 구멍 지름에 대한 축소·확대 제어가 가능하고 3D 프린팅을 응용한 그래핀폼 제조에 적합하다는 것을 보여주었다. 정보출처 : http://www.ecorr.org/news/science/2017-06-26/166171.html |
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