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일본 수입의존 높은 전도성 금속잉크, ‘그래핀’으로 해결한다!

기사승인 2019.12.03  11:06:04

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- KERI 이건웅·정희진 박사팀, 구리-그래핀 복합 잉크 개발 및 기술이전 쾌거

최규하 전기연구원장(왼쪽 두 번째)이 노윤구 대성금속(주) 대표이사(오른쪽 두 번째)에게 기술이전을 완료한 후 관계자들과 기념촬영을 하고 있다.

올해 일본 정부가 한국을 대상으로 반도체 관련 3개 핵심소재에 대한 수출규제를 발표한 이후 국내에서 소재산업 국산화에 대한 목소리가 높아지고 있다.

이러한 가운데 국내 연구진이 우리나라 소재·부품 산업 전 방위에 활용되는 필수 소재이지만, 그동안 대일 수입의존도가 높았던 ‘전도성 금속잉크’의 대체 기술을 개발하고 상용화를 목전에 두고 있어 많은 관심을 받고 있다.

과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 전기전문 연구기관인 한국전기연구원(이하 KERI, 원장 최규하)은 나노융합연구센터 이건웅·정희진 박사팀이 개발한 ‘금속/그래핀 입자 및 복합잉크 제조 기술’을 최근 국내 업체에 기술이전 했다고 밝혔다.

구리-그래핀 복합파우더(왼쪽)와 잉크(오른쪽).

현재 시판되고 있는 전도성 금속잉크의 주요 소재는 귀금속 계열의 은(Ag, Silver)이다. 은은 전기 전도도가 높고 산화가 잘되지 않는 장점이 있지만, 가격이 매우 높다는 단점이 있다.

특히 고품질 ‘은’ 잉크의 경우 높은 수준의 기술력이 필요하다 보니 그동안 일본 수입의존도가 높았고, 이에 따라 대체 소재 발굴 및 국산화 노력이 많은 관심을 받아 왔다.

은을 대체하기 위한 소재로 은과 유사한 전기 전도도를 가지면서도 가격은 10배나 저렴한 구리(Cu, Copper)가 있지만, 구리는 은보다 녹는점이 높고, 공기 중에 노출되면 표면에 산화막이 쉽게 형성되어 전기가 흐르지 않는다는 치명적인 약점을 가진다.

이에 KERI 연구팀은 화학적 안정성이 뛰어나고 전기 및 열 전도성이 우수해 금속 소재의 산화 방지막으로 활용이 가능한 ‘그래핀’에 주목했다.

▲그래핀은 흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노소재로, 탄소원자가 벌집모양의 육각형 결정을 이루며 원자 하나의 두께를 갖는 탄소의 2차원 동소체. 구리보다 전기를 100배 이상 잘 흘리고, 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동이 빠르며, 다이아몬드보다 2배 이상 열을 잘 전달해 다양한 전기·전자 소재로 활용이 기대되는 꿈의 신소재이다.

KERI 개발 기술은 꿈의 나노 신소재라고 불리는 ‘그래핀’을 구리에 합성해 가격은 낮추면서도 뛰어난 전기 전도성을 갖는 ‘구리-그래핀 복합 잉크’다.

전기연구원 핵심개발자인 정희진 박사(왼쪽)와 이건웅 박사(오른쪽)가 구리-그래핀 복합파우더와 잉크를 각각 들고 포즈를 취하고 있다.

연구팀은 그래핀과 구리 입자의 단순한 혼합방식이 아닌, 구리 입자 표면에 여러 층으로 이뤄진 고결정성의 그래핀을 용액상에서 직접 합성할 수 있는 ‘액상합성법’을 세계 최초로 시도했다.

이 방법을 통해 구리/그래핀 복합 입자를 대량으로 연속 공정할 수 있고, 잉크 및 전극 제조 시 발생할 수 있는 그래핀 탈착 현상을 방지해 6개월이 넘는 기간 동안 안정적으로 구리의 산화를 막을 수 있었다.

또한 마이크론 크기의 값싼 상용 구리 입자를 사용하여 가격 경쟁력을 높였고, 구리 입자의 크기 및 형태(구형, 플레이크형, 덴드라이트형) 조절을 통해 다양한 전기 전도도를 갖는 패턴 전극을 확보할 수 있어 폭넓은 응용 분야로도 적용이 가능하다.

이를 기반으로 연구팀은 분산성이 우수한 고점도 잉크를 제조하고 스크린 인쇄를 통해 해상도가 높은 패턴 막을 형성했고, 광열소성을 통해 은과 유사한 수준의 전기 전도도를 구현함으로써 상용화 가능 기술을 확보했다.

▲광열소성=대기 중에서 1/1000초의 짧은 시간에 높은 에너지를 갖는 빛을 쏘여주면 이를 흡수하여 열에너지로 전환되면서 분말 입자들이 열적 활성화 과정을 거쳐 하나의 덩어리로 되는 현상이다.

연구개발자인 이건웅 박사는 “KERI 성과는 구리 잉크의 산화에 의한 전기적 불안정성을 그래핀의 복합화를 통해 획기적으로 해결한 기술로, 전도성 잉크 소재 분야의 대일 수입의존성을 탈피하고 기술 자립화를 실현해주는 대형 성과”라고 말했다.

KERI는 개발 기술을 금속소재 및 잉크 제조 전문기업인 대성금속(주)(대표이사 노윤구)에 기술이전(착수기술료 5.5억원, 경상기술료 1.5% 조건)했다.

대성금속(주)은 이미 파일럿(pilot) 규모에 해당하는 월 1t의 구리/그래핀 복합 입자 대량 생산설비를 구축했고, 2020년 1분기에는 월 10t 규모까지 확대할 예정이다.

이를 기반으로 디스플레이 및 모바일 기기의 배선전극에 해당 기술을 우선적으로 적용해 조기 상용화를 달성하고, 추후 자동차 전장 부품 및 배터리 분야로 확장해 관련 기술 분야를 선도한다는 목표다.

노윤구 대성금속(주) 대표이사는 “은을 대체한 구리/그래핀 복합 소재를 사용하면 가격 경쟁력이 매우 높아 다양한 제품을 만들고 테스트할 수 있어 기업 성장에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

KERI는 기술이전 후에도 대성금속(주)이 제품 상용화에 성공할 수 있도록 지원을 아끼지 않는다는 계획이다.

김영환 기자 yyy9137@naver.com

<저작권자 © 에너지타임뉴스 무단전재 및 재배포금지>
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