그래핀을 원하는 크기·형태로 3D 프린트

그래핀을 원하는 크기·형태로 3D 프린트

 

 

여러 겹의 그래핀 용해시켜 원하는 형태로 대량 조형할 수 있는 기법 개발돼

딸기 꽃 위에 올려진 그래핀 구조물. 최신 기법을 이용하면 완벽한 성능을 갖춘 그래핀 물체를 어떤 형태와 크기로든

대규모로 3D 프린트할 수 있다. / 사진:VIRGINIA TECH

 

그래핀 소재의 복잡한 물체를 3D 프린트하는 신기술이 개발됐다. 그래핀은 지구상에 알려진 가장 강한 소재로 여겨지는 반금속(탄소·질소 등의 비금속과 금속의 중간 성질을 갖는 금속)이다. 강철보다 200배 강하고 전기·열 전도성이 높은 그래핀은 최근 많은 주목을 받았다. 그래핀이 충분히 생산된다면 배터리와 센서의 성능을 향상시킬 뿐 아니라 항공우주와 관련 산업의 발전을 앞당길 수 있다고 과학자들은 믿는다.

 

그러나 엔지니어들은 그래핀과 그 막대한 잠재력을 알면서도 2차원 시트나 기본 구조로만 프린트할 수 있었다. 시트 구조에 그래핀의 특성이 남아 있지만 그것을 겹쳐 3D 구조를 형성하면 연필심인 흑연이 형성된다. 흑연에선 그래핀의 기계적 특질이 대부분 사라진다. 그러나 미국 버지니아공대와 로런스 리버모어 국립연구소 연구팀이 개발한 최신 기법을 이용하면 완벽한 성능을 갖춘 그래핀 물체를 원하는 형태와 크기로 과거 어느 때보다 대규모로 3D 프린트할 수 있다.

 

연구팀의 일원인 샤오유 ‘레인’ 젱은 성명을 통해 “우리 실험은 그래핀의 고유한 주요 특질을 유지하면서 그 복잡한 3차원 구조를 형성할 수 있음을 입증했다”며 “이 같은 새로운 설계·제조 기법으로 그래핀 에어로겔(고다공성 나노구조체)로는 얻어낼 수 없는 강도·전도성·체적밀도의 최적화를 이룰 수 있을 것”이라고 말했다.

 

이제껏 그래핀 구조는 압출가공(extrusion)이라는 공정을 통해 이뤄졌다. 특수 전용 도구를 통해 치약을 짜듯이 그래핀을 짜내 사물을 형성하는 방식이다. 젱은 “이 기법으로 만들어낼 수 있는 구조가 극히 한정됐다”며 “버팀대가 없고 잘 녹지 않아 자유롭게 조형할 수 없다”고 말했다. 이런 점에서 최신 기법이 주목 받는다.

 

연구팀의 설명에 따르면 이 방식은 그래핀의 전구체인 산화 그래핀의 사용이 핵심을 이룬다. 여러 겹의 그래핀을 서로 연결해 다공성의 히드로겔(물을 용매로 하는 겔)을 형성한다. 그 뒤 각종 감광성 중합체로 처리하고 3D 프린트해 어떤 형태나 크기로든 고형 구조를 만들어낸다. 끝으로 산화 그래핀과 중합체를 품은 고형 구조를 가열해 중합체를 태워버리면 그래핀 에어로겔이라는 다공질의 3D 그래핀 구조만 남게 된다.

 

젱은 “우리는 여러 겹의 그래핀을 용해시켜 원하는 형태로 조형할 수 있게 했다”고 결론지었다. “보통 그래핀을 3D 프린트하거나 대량 생산하려 할 때 개별적인 시트 구조에 존재하는 뛰어난 기계적 특성 대부분을 잃게 된다.” 그러나 이번 실험에선 그런 일이 전혀 일어나지 않았다. 이 기법을 이용해 이젠 원하는 어떤 그래핀 구조든 형성할 수 있다는 희망을 공학자들에게 안겨줬다.

 

‘복잡한 마이크로 구조 그래핀 에어로겔의 적층 제조(Additive manufacturing of complex micro-architected graphene aerogels)’라는 제목의 이 논문은 지난 8월 13일 학술지 ‘머티리얼스 호라이즌스’에 실렸다.

 

– 슈밤 샤르마 아이비타임즈 기자

 

 

Graphene printed into

complex 3D shapes by US

research team

 

Previously, researchers could only print graphene in 2D sheets or basic structures. Now, Virginia Tech engineers have now collaborated on a project with colleagues at Lawrence Livermore National Laboratory that allows them to 3D print graphene objects at a resolution that is claimed to be an order of magnitude greater than ever before printed. This, they say, unlocks the ability to theoretically create any size or shape of graphene. The research is published in Materials Horizons.

 

Because of its strength and its high thermal and electrical conductivity, 3D printed graphene objects would be highly coveted for use in batteries, aerospace, separation, heat management, sensors and catalysis.

 

Graphene is a single layer of carbon atoms organised in a hexagonal lattice. When graphene sheets are stacked on top of each other and formed into a three-dimensional shape, it becomes graphite, which has poor mechanical properties. But if the graphene sheets are separated with air-filled pores, the three-dimensional structure can maintain its properties. This porous graphene structure is called a graphene aerogel.

 

“Now a designer can design three-dimensional topology comprised of interconnected graphene sheets,” said Xiaoyu “Rayne” Zheng, assistant professor with Virginia Tech’s Department of Mechanical Engineering in the College of Engineering and director of the Advanced Manufacturing and Metamaterials Lab. “This new design and manufacturing freedom will lead to optimisation of strength, conductivity, mass transport and weight density that are not achievable in graphene aerogels.”

 

Previously, researchers could print graphene using an extrusion process. “With that technique, there’s very limited structures you can create because there’s no support and the resolution is quite limited, so you can’t get freeform factors,” Zheng said. “What we did was to get these graphene layers to be architected into any shape that you want with high resolution.”

 

To create these complex 3D structures, lead author Ryan Hensleigh started with graphene oxide, a precursor to graphene, crosslinking the sheets to form a porous hydrogel. Breaking the graphene oxide hydrogel with ultrasound and adding light-sensitive acrylate polymers, Hensleigh could use projection micro-stereolithography to create the desired solid 3D structure with the graphene oxide trapped in the long, rigid chains of acrylate polymer. Finally, Hensleigh would place the 3D structure in a furnace to burn off the polymers and fuse the object together, leaving behind a pure and lightweight graphene aerogel.

 

“It’s a significant breakthrough compared to what’s been done,” Hensleigh said. “We can access pretty much any desired structure you want.” According to Virginia Tech, the key finding of this work is that the team created graphene structures with a resolution an order of magnitude finer than ever printed. Hensleigh said other processes could