미쓰비시전기는 교토대학교 대학원 공학연구과와의 공동 연구를 통해, 반데르발스 적층 재료의 하나인 고배향성 열분해 흑연(HOPG)이 자기 복원 특성을 지닌다는 사실을 세계 최초로 확인했다고 발표했다.
연구팀은 HOPG의 마이크로(µm) 레벨 시험편에 반복적으로 굽힘 하중을 가하는 실험을 진행했다. 그 결과, 하중 횟수가 늘어날수록 시험편은 점차 부드러워졌지만, 시간이 지나면서 경도를 포함한 기계적 강도가 다시 원래 수준으로 돌아오는, 이른바 ‘자기 복원 특성’을 갖고 있음이 드러났다.
실험은 한 방향으로만 변형을 가하는 단측(片振り) 시험과 양 방향으로 변형을 가하는 양측(両振り) 시험, 두 가지 방식으로 이뤄졌다. 단측 시험에서는 1만 회의 하중을 가한 뒤 변형 저항이 초기 대비 66%까지 떨어졌지만, 38일 동안 그대로 둔 결과 91% 수준까지 회복됐다. 양측 시험에서는 1,000회 하중으로 변형 저항이 41%까지 감소했으나, 7일이 지나자 97%까지 거의 완전히 되살아나는 것이 확인됐다.
연구진은 이 같은 자기 복원 특성이 반데르발스 적층을 이루는 이차원 재료인 그래핀의 높은 강도와 유연성, 그리고 그래핀 층 사이에서 작용하는 반데르발스 상호작용에 기인한다고 분석했다. 층간 미끄러짐으로 한 번 끊어진 반데르발스 결합이 다시 형성될 수 있는 메커니즘이 핵심이라는 설명이다.
이번 연구 성과는 반데르발스 적층 재료를 활용한 미세전기기계시스템(MEMS)의 수명 연장을 가능하게 하고, MEMS를 탑재한 다양한 기기의 신뢰성을 끌어올리는 데 기여할 것으로 보인다. 최근 스마트폰의 고기능화, 차량용 시스템에서의 자율주행·안전제어 기술 고도화, 웨어러블 기기 확산에 따라 가속도 센서, 압력 센서 등 MEMS 수요는 가파르게 증가하고 있다. 이와 동시에, 장기간의 진동과 충격을 견디는 높은 내구성을 확보하면서도 기기를 가볍게 만드는 것이 업계의 과제가 되고 있다.
미쓰비시전기와 연구진은 앞으로 이 자기 복원 특성을 MEMS용 진동 흡수 메커니즘에 적용해, 수명이 길고 신뢰성이 높은 진동 흡수 구조 개발을 추진할 계획이다. 아울러 다른 반데르발스 적층 재료에 대해서도 자기 복원 특성 연구를 심화하고, 재료 변형으로 전위가 발생하는 반데르발스 적층 재료로의 응용을 확대해, 변형 에너지를 효율적으로 전기 에너지로 전환해 내는 MEMS 구현에도 도전할 방침이다.
