한국전기연구원 ‘구리-그래핀 복합잉크 제조기술’ 개발

일본 수입의존도 높은 소재로 기술이전 상용화 박차

[창원=뉴시스] 홍정명 기자=한국전기연구원 나노융합연구센터 정희진(왼쪽)·이건웅 박사가 개발한 '구리-그래핀 복합 파우더'와 '구리-그래핀 복합잉크'를 들고 포즈를 취하고 있다.(사진=한국전기연구원 제공)2019.12.03. [email protected]

[창원=뉴시스] 홍정명 기자 = 한국전기연구원(KERI· 원장 최규하)은 나노융합연구센터 이건웅·정희진 박사팀이 일본 수입 의존도가 높은 '전도성 금속잉크'를 대체할 수 있는 '구리-그래핀 복합잉크 제조기술' 개발에 성공했다고 3일 밝혔다.

KERI 연구팀이 개발한 '금속-그래핀 입자 및 복합잉크 제조기술'은 최근 금속 소재 및 잉크 제조 전문 기업인 대성금속㈜(대표이사 노윤구)에 기술이전해 상용화에 박차를 가하고 있다.

현재 시판되는 '전도성 금속잉크'의 주요 소재는 귀금속 계열의 은(Ag)으로, 전기 전도도가 높고 산화가 잘 되지 않는 장점이 있지만 가격이 비싼 단점이 있다. 특히, 고품질의 은 잉크 제조에는 높은 기술력이 필요해 일본 수입 의존도가 높은 실정이다.

은 대체 소재로는 은과 유사한 전기 전도도를 가지면서 가격은 10배나 저렴한 구리(Cu)가 있지만, 구리는 은보다 녹는점이 높고, 공기 중에 노출되면 산화막이 쉽게 형성돼 전기가 흐르지 않는다는 치명적인 약점이 있다.

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 탄소 나노 소재로, 구리보다 전기를 100배 이상 잘 흘리고 실리콘보다 전자의 이동이 100배 이상 빠르며, 다이아몬드보다 2배 이상 열을 잘 전달해 다양한 전기·전자 소재로 활용이 기대되는 꿈의 신소재다.

KERI 연구팀이 개발한 기술은 '꿈의 나노 신소재'라고 불리는 그래핀을 구리에 합성해 가격은 낮추면서도 뛰어난 전기 전도성을 갖는 '구리-그래핀 복합 잉크'다.

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 제조시 발생할 수 있는 그래핀 탈착 현상을 방지해 6개월이 넘는 기간 동안 안정적으로 구리의 산화를 막을 수 있었다.

[창원=뉴시스] 한국전기연구원 나노융합연구센터 정희진·이건웅 박사가 개발한 '구리-그래핀 복합 파우더(왼쪽)'와 '구리-그래핀 복합잉크'.(사진=한국전기연구원 제공)2019.12.03.  [email protected]

또 마이크론 크기의 값싼 상용 구리 입자를 사용해 가격경쟁력을 높였고, 구리 입자의 크기 및 형태(구형, 플레이크형, 덴드라이트형) 조절로 다양한 전기 전도도를 갖는 패턴 전극도 확보했다.

이를 기반으로 연구팀은 분산성이 우수한 고점도 잉크를 제조하고, 스크린 인쇄를 통해 해상도가 높은 패턴 막을 형성했고, 광열소성을 통해 은과 유사한 수준의 전기 전도도 구현에 성공했다.

연구개발자인 이건웅 박사는 "이번 연구 성과는 구리 잉크의 산화에 의한 전기적 불안정성을 그래핀의 복합화를 통해 획기적으로 해결한 기술로, 전도성 잉크 소재 분야의 대일 수입 의존성을 탈피하고 기술 자립화를 실현해주는 대형 성과다"고 강조했다.

한편, KERI는 '금속-그래핀 입자 및 복합잉크 제조기술'을 지난 10월 30일 대성금속에 이전했으며, 제품 상용화에 성공할 수 있도록 지속해서 지원할 계획이다.

대성금속은 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 모바일기기의 배선전극에 해당 기술을 우선 적용해 조기 상용화를 달성하고, 추후 자동차 전장 부품 및 배터리 분야로 확장해 나갈 방침이다.


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