미래의 재료: 그래핀과 리그닌

콘크리트가 환경에 미치는 영향에 대한 우려가 커지면서 건축에 목재를 사용하는 일이 다시 부각되고 있습니다. 그러나 목재는 주변의 습기를 흡수하여 부패, 곰팡이 및 기타 손상을 초래합니다. 스웨덴에서만 건물의 물 손상을 수리하는 데 드는 비용이 연간 5억 유로를 초과합니다. 이 문제를 해결하기 위해 스웨덴 그래핀 연합 회원 연구소(RISE)의 연구원들은 주변 습도와 목재 내부의 습기를 모두 감지할 수 있는 목재에 내장된 그래핀 센서를 개발했습니다.

RISE는 지속 가능한 전자 제품과 순환 경제를 통해 산림 기반 재료와 제품을 디지털 세계의 일부로 만드는 것을 목표로 하는 디지털 셀룰로오스 센터(DCC)를 조정합니다. RISE에 기반을 둔 DCC 센터 소장 Ursula Hass는 "그래핀 습도 및 수분 센서는 전자 제품의 지속 가능한 방법을 실제로 입증했으며 DCC의 학계 및 산업 파트너 모두로부터 높은 관심을 불러일으켰습니다."라고 말했습니다.

이 "리그노그래피(Lignography)" 방법에서 팀은 많은 식물의 세포벽에서 발견되고 종이 및 펄프 산업의 부산물인 복잡한 유기 고분자인 리그닌과 흑연 또는 흑연으로 변환되는 셀룰로오스로 구성된 인쇄 가능한 잉크를 사용하여 센서를 패턴화했습니다. 레이저 빔을 조사하면 그래핀이 생성됩니다.

흑연화 공정을 거친 후 이 센서는 다양한 종류의 목재에서 25°C에서 10%~90% 범위의 습도 수준을 측정할 수 있었습니다. 가문비나무와 소나무로 제작된 센서는 습도가 1% 증가할 때마다 각각 2.6 및 0.74MΩ의 값으로 높은 감도를 나타냈습니다. 마지막으로 연구원들은 이러한 센서에 의해 수집된 습도 변화를 연결된 컴퓨터를 통해 원격으로 읽거나 간단한 LED 시스템으로 시각화할 수 있음을 보여주었습니다.

시중에서 판매되는 가문비나무로 제작된 습도 센서입니다. a) 먼저 가문비나무 모양의 리그닌과 셀룰로오스 폴리머를 함유한 수성 잉크로 목재를 코팅했습니다. 이후 CO2 레이저를 사용하여 잉크 코팅에서 두 개의 탄소 전극을 생성하고 전극 사이에 일부 잉크를 그대로 두어 수분 감지를 위한 흡착층으로 작동했습니다. b) 목재 표면에 제작된 두 개의 센서. 하나는 전면에서 밀봉되고 다른 하나는 주변 환경에 개방되어 있습니다. (제공: RISE)

RISE 연구원들은 또한 유사한 "리그노그래피" 공정을 포함하는 저항기 및 마찰 전기 에너지 수확기와 같은 리그닌 흑연화 전자 부품을 시연했습니다.

"우리 그룹의 연구는 목재 및 종이와 같은 지속 가능하고 재활용 가능한 재료를 기반으로 한 바이오 그래핀 기반 센서, 에너지 수확기, 전자 장치 및 회로 개발의 길을 열었습니다. 종이로 폐기될 수 있는 이러한 재료를 활용함으로써 RISE의 Mohammad Yusuf Mulla는 이렇게 설명합니다.

목재의 습도 센서 외에도 RISE 연구원들은 Lignin Industries AB 및 Bloom Renewables SA와 협력하여 압력 및 기계적 입력을 감지할 수 있는 새로운 유형의 리그닌 기반 재료를 연구하고 있습니다. 예를 들어, 이러한 '스마트 소재'는 버튼을 누르는 대신 구부리거나 두드리는 방식으로 스위치 켜기/끄기 및 볼륨 조절을 작동하는 데 사용할 수 있습니다.

팀은 리그닌을 화학적으로 열경화성 또는 열가소성 제제로 변형하여 스마트 리그닌 기반 재료를 준비합니다. BaTiO3 및 환원그래핀옥사이드와 같은 기능성 첨가제가 이러한 복합재에 첨가됩니다. BaTiO3 결정에 외력이 가해지면 결정 구조가 왜곡되어 양극과 음극이 분리되어 전기장이 발생합니다. 동시에 우수한 전기 전도체인 그래핀은 리그닌 기반 복합재의 전도성을 높여 전하를 효율적으로 전달할 수 있습니다. 납 기반 상용 압전 재료에 비해 리그닌 기반 재료는 터치 및 압력 센서용 첨가제로 더 안전하고 지속 가능합니다.