2017.01.11

MIT, 3D 프린터로 그래핀 입체 인쇄…기하학적 구조로 다양한 활용 가능

Lucas Mearian | Computerworld
MIT의 한 연구팀이 그래핀(Graphene)을 사용해 3차원 기하학적 객체를 인쇄하는 데 성공했다. 차세대 신소재로 주목 받고 있는 그래핀은 극히 가벼우면서도 강철의 100배에 달하는 강도와 높은 전도율이 특징이다.


Credit: Melanie Gonick/MIT

이번 연구 결과는 비행기나 자동차, 건축물 등에 사용할 수 있는 매우 가벼우면서도 강도가 높은 제품을 만들 가능성을 보여주며, 심지어 인쇄한 객체의 삼투성 디자인을 이용하면 여과장치에도 사용할 수 있다.

기본적으로 2차원 평면 상태인 그래핀은 원자 하나 정도의 두께이기 때문에 종이처럼 얇고 찢어지기 쉽다. 하지만 그러면서도 전도율이 매우 높고 거의 투명한 특성이 있다. 지금까지 관련 분야 연구자들은 그래핀의 2차원 강도를 2차원 물질에서 사용하기 위해 애를 써 왔다.

MIT 환경공학과 책임자 마커스 뷸러는 발표문을 통해 극히 얇은 두께 때문에 “그래핀은 자동차나 건물, 디바이스에 사용할 수 있는 3차원 물질을 만든 데 그리 유용하지 않다”며, “우리가 한 일은 이런 2차원 물질을 3차원 구조로 변환하고 싶다는 바램을 현실화한 것”이라고 설명했다.

연구팀은 전용 다재료 3D 프린터를 사용해 새로운 그래핀 구조를 만들어 냈는데, 이 구조는 스폰지와 같은 구성으로 밀도가 5%에 불과하다.


3D 그래핀에 대한 장력과 압력 시험 결과 시뮬레이션을 보여주는 일러스트레이션.

MIT 연구팀은 열과 압력을 함께 사용해 작은 그래핀 조각을 압축해 강도가 높고 안정적인 구조를 만들어 냈는데, “이 형태는 일부 산호나 규조류라고 부르는 미시적인 생명체를 닮았다.” 새로운 형태에는 규모와 비례해 수많은 표면 영역이 포함되어 있으며, 매우 강도가 높다는 것을 증명했다.

이번 연구는 3D 그래핀 조직이 대부분 다른 중합 세포 재료에 대해 기계적인 이점을 잃기 시작하는 결정적인 밀도에 대한 데이터를 제공한다. 자오 킨 교수는 “일단 우리가 3D 구조를 만든 이후에는 한계가 어디인지를 알고 싶었다”라고 말했다.

3D 출력된 그래핀의 강도를 테스트하기 위해 연구팀은 다양한 3차원 모델을 만들어 다양한 시험을 진행했다. 킨 교수는 “연산 시뮬레이션에서 우리가 만든 샘플 중 하나는 강철의 5% 밀도이지만 강도는 10였다”라고 밝혔다.

종이를 둥글게 마는 것만으로도 강도가 높아지듯이 3D 프린팅된 기하학적 구조의 그래핀은 하중을 지지하는 능력이 높아진다.

새로운 구조물은 연구실에서 고해상도 다재료 3D 프린터를 사용해 만들어졌다. 연구팀은 기계적으로 이들 구조물의 장력과 압력 강도를 시험하고 이론 모델을 사용해 시뮬레이션했다. 프린팅된 모델의 시험 결과는 시뮬레이션과 일치했다.

사실 기존에 연구자들이 사용한 그래핀은 공기보다 더 가볍기 때문에 일부는 진공 상태에서 그래핀 구조물을 사용하면 무동력 비행기의 헬륨 대체물로 사용할 수 있을지를 고려했다. 하지만 MIT 연구팀의 좀 더 정확한 연산 모델링에 따르면, 재료가 충분히 강하지 못하고 주변 공기압 때문에 부서질 수도 있기 때문에 이 가능성이 배제됐다.

하지만 MIT 연구팀은 그래핀 입체 구조가 가진 높은 강도와 가벼운 무게의 이점을 이용할 수 있는 분야가 무궁무진하다는 것을 발견했다. 뷸러는 “실제 그래핀 재료를 사용할 수도 있고 우리가 발견한 기하학적 중합체를 사용할 수도 있다. 그래핀 자체로 어떤 것도 대체할 수 있다. 기하학적 구조가 결정적인 요소로, 수많은 것으로 바뀔 수 있는 잠재력이 있다”고 강조했다.  editor@itworld.co.kr


2017.01.11

MIT, 3D 프린터로 그래핀 입체 인쇄…기하학적 구조로 다양한 활용 가능

Lucas Mearian | Computerworld
MIT의 한 연구팀이 그래핀(Graphene)을 사용해 3차원 기하학적 객체를 인쇄하는 데 성공했다. 차세대 신소재로 주목 받고 있는 그래핀은 극히 가벼우면서도 강철의 100배에 달하는 강도와 높은 전도율이 특징이다.


Credit: Melanie Gonick/MIT

이번 연구 결과는 비행기나 자동차, 건축물 등에 사용할 수 있는 매우 가벼우면서도 강도가 높은 제품을 만들 가능성을 보여주며, 심지어 인쇄한 객체의 삼투성 디자인을 이용하면 여과장치에도 사용할 수 있다.

기본적으로 2차원 평면 상태인 그래핀은 원자 하나 정도의 두께이기 때문에 종이처럼 얇고 찢어지기 쉽다. 하지만 그러면서도 전도율이 매우 높고 거의 투명한 특성이 있다. 지금까지 관련 분야 연구자들은 그래핀의 2차원 강도를 2차원 물질에서 사용하기 위해 애를 써 왔다.

MIT 환경공학과 책임자 마커스 뷸러는 발표문을 통해 극히 얇은 두께 때문에 “그래핀은 자동차나 건물, 디바이스에 사용할 수 있는 3차원 물질을 만든 데 그리 유용하지 않다”며, “우리가 한 일은 이런 2차원 물질을 3차원 구조로 변환하고 싶다는 바램을 현실화한 것”이라고 설명했다.

연구팀은 전용 다재료 3D 프린터를 사용해 새로운 그래핀 구조를 만들어 냈는데, 이 구조는 스폰지와 같은 구성으로 밀도가 5%에 불과하다.


3D 그래핀에 대한 장력과 압력 시험 결과 시뮬레이션을 보여주는 일러스트레이션.

MIT 연구팀은 열과 압력을 함께 사용해 작은 그래핀 조각을 압축해 강도가 높고 안정적인 구조를 만들어 냈는데, “이 형태는 일부 산호나 규조류라고 부르는 미시적인 생명체를 닮았다.” 새로운 형태에는 규모와 비례해 수많은 표면 영역이 포함되어 있으며, 매우 강도가 높다는 것을 증명했다.

이번 연구는 3D 그래핀 조직이 대부분 다른 중합 세포 재료에 대해 기계적인 이점을 잃기 시작하는 결정적인 밀도에 대한 데이터를 제공한다. 자오 킨 교수는 “일단 우리가 3D 구조를 만든 이후에는 한계가 어디인지를 알고 싶었다”라고 말했다.

3D 출력된 그래핀의 강도를 테스트하기 위해 연구팀은 다양한 3차원 모델을 만들어 다양한 시험을 진행했다. 킨 교수는 “연산 시뮬레이션에서 우리가 만든 샘플 중 하나는 강철의 5% 밀도이지만 강도는 10였다”라고 밝혔다.

종이를 둥글게 마는 것만으로도 강도가 높아지듯이 3D 프린팅된 기하학적 구조의 그래핀은 하중을 지지하는 능력이 높아진다.

새로운 구조물은 연구실에서 고해상도 다재료 3D 프린터를 사용해 만들어졌다. 연구팀은 기계적으로 이들 구조물의 장력과 압력 강도를 시험하고 이론 모델을 사용해 시뮬레이션했다. 프린팅된 모델의 시험 결과는 시뮬레이션과 일치했다.

사실 기존에 연구자들이 사용한 그래핀은 공기보다 더 가볍기 때문에 일부는 진공 상태에서 그래핀 구조물을 사용하면 무동력 비행기의 헬륨 대체물로 사용할 수 있을지를 고려했다. 하지만 MIT 연구팀의 좀 더 정확한 연산 모델링에 따르면, 재료가 충분히 강하지 못하고 주변 공기압 때문에 부서질 수도 있기 때문에 이 가능성이 배제됐다.

하지만 MIT 연구팀은 그래핀 입체 구조가 가진 높은 강도와 가벼운 무게의 이점을 이용할 수 있는 분야가 무궁무진하다는 것을 발견했다. 뷸러는 “실제 그래핀 재료를 사용할 수도 있고 우리가 발견한 기하학적 중합체를 사용할 수도 있다. 그래핀 자체로 어떤 것도 대체할 수 있다. 기하학적 구조가 결정적인 요소로, 수많은 것으로 바뀔 수 있는 잠재력이 있다”고 강조했다.  editor@itworld.co.kr


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