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탄소 원자 하나 두께의 박막이 강철에 구멍을 내는 총격을 흡수할 수 있다. 순수한 그래핀(graphene)이 현재 방탄조끼에 사용되고 있는 섬유보다 2배 정도의 성능을 발휘할 수 있으며, 군인이나 경찰을 위한 이상적인 방호복이 될 수 있음을 시사하는 시험 결과가 발표되었다. 

그래핀은 벌집 모양으로 서로 결합된 단일 탄소원자들로 이루어진 시트이다. 그래핀은 열과 전기에 대한 우수한 전도체이기 때문에, 컴퓨터와 전자공학에 이미 사용되고 있다. 그러나 그래핀은 그 가벼운 무게에 비해서 놀라울 정도로 강력하기도 하므로, 방호복에 이용될 이상적인 재료가 될 수 있다. 하지만 이렇게 얇은 재료에 고속의 탄환을 발사하여 그 간단함을 시험하기는 힘들다. 왜냐하면 원자 두께의 재료는 그와 같은 충격에 의해 완전히 파괴되기 때문이다. 이전 연구에서는 초속 1미터 미만의 걷는 속도로 그래핀을 찌르는 나노포커나 다수의 레이저 펄스를 이용한 엽총 방식이 사용되었다. 그러나 이 방법들은 고속 투사물에 대해서 그래핀이 실제로 강하다는 증거를 제공할 수는 없었다고 매사추세츠대(University of Massachusetts-Amherst)의 이재황(Jae-Hwang Lee)은 말했다. 

이재황과 동료들은 그래핀의 특성을 시험하기 위해서 새로운 소형 탄도학 시험법을 고안했다. 그들은 금 필라멘트가 기화될 때까지 레이저 펄스를 이용하여 과열(superheat)함으로써, 10~100장의 그래핀 시트에 초속 3,000미터로 마이크로미터 크기의 유리 탄환을 발사하는 화약의 역할을 하도록 만들었다. 이 속도는 M16소총에서 발사되는 탄환 속도의 3분의 1 정도에 해당한다. 그래핀 시트가 탄환의 충격지점에서 원뿔 모양으로 늘어난 뒤, 방사상의 바깥 방향으로 금이 감으로써 이러한 운동에너지를 소산시킨다는 것을 연구진은 발견했다. 이러한 균열은 단일층 그래핀의 약점 중 하나지만, 그럼에도 불구하고 케블라(Kevlar)보다는 2배의 성능을 발휘하며 강철이 버틸 수 있는 것보다는 10배의 운동에너지를 버틸 수 있다고 연구진은 말했다. 여러 층의 그래핀을 이용하거나 그래핀을 복합 구조에 통합한다면 균열이 퍼지지 않도록 만들 수도 있을 것이다. 

가끔씩 그래핀을 방호복으로서 연구한 연구자들도 있었지만, 이 재료가 운동에너지를 얼마나 흡수할 수 있는지를 설명한 논문은 이번 연구진이 처음이다. 음파는 강철을 통과할 때보다 그래핀을 통과할 때에 3배나 더 빨리 진행한다. 이것은 충격지점에서 멀리 떨어진 지점에서도 운동에너지를 신속히 흡수하여 소산시킬 수 있으며, 투사물의 속력을 효과적으로 떨어뜨리고 투사물이 침투하지 못하게 막는데 도움이 된다는 것을 의미한다. 또한 이번 연구진이 개발한 마이크로탄환 방식은 극한 환경에서 다른 고성능 재료를 연구하는 데에도 이용될 수 있을 것이다. 

* 관련논문 : Science, DOI: 10.1126/science.1258544 

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2014-12-02




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