▲ 캠퍼를 이용한 그래핀 옥사이드(산화 그래핀) 전사방법

초박막 그래핀의 기계적 강도를 측정할 수 있는 길이 열렸다. 향후 그래핀을 포함한 여러 초박막 재료의 기계적 특성 측정에 도움이 될 것으로 보인다.

기초과학연구원 (IBS, 원장 김두철) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 특훈교수) 연구팀은 처음으로 상온에서 쉽게 승화되는 재료를 인장시험의 지지층으로 사용해 초박막 그래핀의 기계적 특성을 밝혀내는데 성공했다고 지난 7일 밝혔다.

그래핀은 인공적으로 만든 물질 중 가장 얇으며 기계적 강도가 강하고 전도도가 높아 꿈의 나노물질로 주목받고 있는 차세대 2차원 물질이다.

하지만 얇은 두께를 가진 그래핀 같은 박막시료는 기계적 강도 측정을 위한 인장시험이 어려웠다. 인장시험을 위한 지지층을 제거하는 과정에 생기는 시료의 손상이나 지지층을 그대로 둔 상태에서는 박막 고유의 성질을 측정하기 힘들었기 때문이다.

이에 연구진은 공기 중에 비교적 낮은 온도에서 승화하는 캠퍼라는 재료를 지지층으로 사용했다. 캠퍼는 녹나무 수지에서 나온 것으로 강항 방향성 향기를 지닌 무색의 고체로 물에는 잘 녹지 않지만 상온에서 승화하는 성질이 있다.

초박막 그래핀 시료를 고정시킨 이후 지지층인 캠퍼가 승화를 통해 기체로 제거되기 때문에, 물리적 손상을 최소화며 인장시험을 시행할 수 있다.

이를 통해 기존에 불가능했던 35㎚두께의 초박막 그래핀 옥사이드 시료를 센티미터 크기(1㎠)의 기판에 전사하는데 성공하고 인장하중과 인장탄성률, 인장강도를 측정했다. 이전에 학계에는 2㎛ 두께의 그래핀 옥사이드 시료의 기계적 특성이 기록돼있었다.

또한 연구진은 화학기상증착법(CVD)으로 만든 단층 그래핀(다결정 그래핀, 단결정 그래핀에 가까운 고배향성 그래핀)을 100㎚의 폴리카보네이트 필름에 전사해 결과를 확인했다.

먼저 다결정 그래핀을 폴리카보네이트에 전사해 인장시험을 시도한 결과, 637~793GPa의 영률을 측정하는데 성공하였다. 그리고 단결정 그래핀에 가까운 고배향성 그래핀을 폴리카보네이트에 전사해 기계적 특성을 시험했다.

측정결과 접힌부분이 수직방향일 경우 683~775GPa, 접힌부분이 수평방향일 경우 725~905GPa의 영률을 측정해 최초의 단층 그래핀 필름 인장을 측정하는데 성공했다.

루오프 단장은 “일반적으로 사용되는 인장시험 장비를 이용한 이번 연구 성과는 그래핀을 포함한 여러 박막 재료의 기계적 성질을 측정하는데 있어 매우 선구적인 방법을 제시한 것이다. 이번 연구성과는 향후 그래핀의 기계적 특성을 시험하는 표준이 될 것으로 확신한다” 고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF=19.791, DOI: 10.1002/adma.201800888)에 미국 동부시간으로 5월 21일자에 게재됐다.