[더구루=길소연 기자] 미쓰비스전기가 유연하고 회복력 있는 자가치유 소재로 전자기기의 수명과 유지보수 비용을 줄인다. 미쓰비스전기는 고배향 열분해 흑연(Highly Oriented Pyrolytic Graphite, HOPG)이 외부 동력이나 화학적 자극 없이 내부 구조 자체의 가역적 특징을 통해 시간이 지남에 따라 스스로 회복하는 특성을 확인했다. HOPG의 자가회복 특성으로 손상에 강한 고신뢰성 소자를 개발, 소자의 구동 안정성과 수명을 극대화한다.

29일 미쓰비시전기에 따르면 교토대학 대학원 공학연구과 고체역학연구소와 공동 연구를 통해 반데르발스(vdW) 층상 물질인 HOPG의 자가회복 특성을 세계 최초로 확인했다.

이번 성과는 반데르발스 층상 물질을 활용해 미세전자기계시스템(MEMS)의 작동 수명을 연장함으로써 MEMS 탑재 장치의 신뢰성 향상에 기여할 것으로 기대된다. HOPG에 반복적인 굽힘 하중(전단 변형)을 가했을 때 손상된 기계적 특성이 자가 치유돼 연속적인 진동 환경을 견뎌 수명을 연장시킨다.

그동안 MEMS는 장기간의 진동과 충격을 견딜 수 있는 내구성을 확보하면서 무게를 줄여야 할 필요성이 커졌다. 이런 배경에서 가볍고 유연하며 높은 강도를 지닌 반데르워터스층 구조 물질을 MEMS에 적용하는 것이 유망한 방안으로 여겨졌다. 하지만 반데르발스층 구조 물질의 미세 규모 시험편을 제작하는 것은 기술적으로 어렵고, 시험 방법도 아직 확립되지 않아 연구가 미흡했다.

미쓰비시전기는 교토대학교와 협력해 HOPG의 미세 규모 시험편 제작에 성공했으며, 시험편에 반복적인 굽힘 하중을 가하여 전단 변형을 유도하는 새로운 시험 방법을 개발해 자가회복 특성을 확인했다.

미쓰비시전기는 하중 주기 횟수가 증가함에 따라 시험편이 연화됐다가 시간이 지남에 따라 경도를 포함한 기계적 특성이 회복되는 것을 발견해 진동 에너지를 소산시키는 HOPG를 진동 흡수 메커니즘으로 활용할 수 있는 가능성을 제시했다.

HOPG의 자가회복 특성을 스마트폰, 자동차 안전 시스템, 웨어러블 기기에 사용되는 MEMS의 진동 유도 피로(vibration-induced fatigue)를 해결하는 진동 흡수 메커니즘으로 활용돼 MEMS의 내구성을 높인다. 이러한 메커니즘을 적용하면 지속적인 진동 환경에서도 손상에 강한 고신뢰성 소자 개발할 수 있다. 고신뢰성 소자 개발은 웨어러블 기기, 인체 삽입형 의료 기기, 로봇 공학 등의 미래 핵심 기술로 꼽힌다.

미쓰비스전지는 향후 이 피로 시험 방법은 다른 반데르발스 층상 재료에도 적용해 MEMS의 작동 수명을 연장시킬 계획이다.

자가회복 특성을 지닌 HOPG는 일반 흑연과 기본적으로 같은 흑연(그래파이트) 계열이지만, 층(면) 방향이 매우 규칙적으로 정렬된 고순도 재료라 물리적 특성을 갖는다. 층 방향이 정렬돼 있어 전기·열 전도 특성이 더 일관되고, 단결정 그래핀과 유사한 전기적 특성을 보인다.