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그래핀의 강도를 측정할 수 있는 ....

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글쓴이 최고관리자 등록일 14-01-28 12:45
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    렌셀러 폴리테크닉 대학(Rensselaer Polytechnic Institute)의 연구진은 나노물질인 그래핀의 강도와 강성을 측정할 수 있는 간단한 방법을 세계 최초로 개발했다.

    저널 Nature Communications에 게재된 최근 연구에서, 이번 연구진은 라만 신호를 이용해서 개질된 그래핀의 강도와 강성을 정확하게 측정할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 라만 분광기술은 그래핀의 결함 상태를 측정하기 위해서 폭넓게 사용된다. 그리고 이것은 간단하고, 비접촉이며, 비파괴적인 방법이다. 이 기초 연구결과는 그래핀의 독특한 기계적 특성을 활용하는 새로운 복합재료와 나노전자장치의 개발 및 생성에 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.

    이번 연구진은 높은 수준의 정밀도로 그래핀 샘플의 강도와 강성을 측정할 수 있는 손쉽고, 빠르며, 비파괴적인 방법을 개발했다. 이 데이터는 연구 및 제품 개발에 그래핀을 사용하는 학계 , 정부, 업계의 모든 사람들에게 즉시 사용될 수 있을 것이다.

    가장 얇은 소재로 잘 알려진 그래핀은 나노크기 철망 울타리와 같은 형태로 배열된 단일층 탄소 원자들이다. 그래핀은 물리적으로 강하고 화학적으로 비활성이다. 이번 연구진은 배터리, 가스 센서, 컴퓨터 칩 등과 같은 다양한 분야에 적용하기 위해서 이런 독특한 성질들을 활용할 수 있는 방법을 조사하고 있다.

    2008년에 발표된 이 획기적인 그래핀 연구는 벌크 흑연에서 그래핀 층을 박리하기 위해서 일반적인 접착테이프를 사용했고, 이렇게 생성된 그래핀 층의 강도가 평가되었다. 그러나 그래핀을 생성하는 이런 방법은 지나치게 많은 시간을 소모하고 대량 생산에 적합하지 않다. 화학 기상 증착, 흑연 산화 등과 같은 대량의 그래핀을 생성시킬 수 있는 기타 프로세스들은 홀, 공공, 잔여 산소 원자, 기타 결함을 가진 그래핀 층들을 초래한다. 이 새로운 연구에서, 이번 연구팀은 이런 결함의 밀도와 종류가 그래핀 샘플의 기계적 성질에 어떤 영향을 끼치는지를 조사했다.

    이번 연구팀은 다양한 밀도 및 결함을 가진 일련의 그래핀 샘플들을 만들었고, 그 후에 라만 분광기술을 이용해서 샘플 특성을 평가했다. 이번 연구팀은 그래핀 샘플에 날카로운 다이아몬드 팁을 누르는 나노압입(nanoindentation) 기술을 사용했고, 샘플이 어떻게 신축되는지를 기록했다.

    이번 연구진은 그래핀이 표면의 산소 원자를 버린 후에도 뛰어난 기계적 성질들을 가질 수 있다는 것을 발견했다. 이것은 그래핀의 완벽한 sp2 탄소 결합 네트워크를 방해한다. 그래서 그동안 그래핀의 전기적 및 열적 특성들이 이러한 결함 때문에 상당히 저하되는 것으로 알려졌다. 그러나 이번 연구진은 이런 결함으로 인해서 그래핀 시트가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 견고하고 기계적으로 강해진다는 것을 발견했다. 이번 연구진은 이런 연구결과를 이해하고 해석하기 위해서 분자 역학 시뮬레이션을 이용했다.

    이 연구는 홀 또는 공공(vacancy defect)이 그래핀 구조 속에서 생성될 때 이것의 강도와 강성이 상당히 감소한다는 것을 나타낸다. 이 연구는 결함 있는 그래핀 샘플의 강도 및 강성이 그들의 라만 신호와 직접적으로 관계가 있다는 것을 보여주기 때문에 상당히 중요하다. 결함 있는 그래핀의 라만 스펙트럼과 이것의 기계적 성질 사이의 관계를 수립함으로써, 이번 연구진은 그래핀의 몇몇 중요한 기계적 성질들을 식별할 수 있는 간단하고 비파괴적인 방법을 제공했다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Effect of defects on the intrinsic strength and stiffness of graphene”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/ncomms4186).

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