비싼 '은' 대체 가능할까···차세대 복합 잉크 개발

전기연 연구팀, '구리-그래핀 복합 잉크' 개발
유사한 성능 발휘하면서 가격 10분의 1 수준으로 절감
전자기기의 배선, 회로, 전극으로 사용되는 비싼 은 잉크를 10분의 1 수준으로 절감하고, 유사 성능을 발휘할 수 있는 복합 잉크가 개발됐다.

한국전기연구원(원장 최규하)은 나노융합기술연구센터(책임자 이건웅 책임연구원, 정희진 책임연구원) 연구팀이 그래핀을 구리에 합성해 가격은 낮추고, 뛰어난 전기 전도성을 갖도록 하는 '구리-그래핀 복합 잉크'를 개발했다고 16일 밝혔다. 

현재 시판되고 있는 전도성 잉크 소재 중에 은이 가장 많이 사용되고 있다. 은은 전기 전도도가 높고 산화가 잘되지 않는다는 장점이 있지만 가격이 높다. 이에 은과 성능이 유사하면서 가격이 10배 저렴한 구리가 대체 소재로 주목 받았다.

구리는 은보다 녹는점이 높고 공기 중에 노출되면 표면에 쉽게 산화막이 형성되는 문제가 있다. 또 전극 제조 과정 중 높은 온도에 노출되면 구리 입자가 산화되는 문제점도 있었다. 산화막이 형성된 구리는 전기가 흐르지 않기 때문에 이를 방지할 수 있는 기술이 필요하다.

국내·외 연구진이 산화막을 막는 연구결과를 발표했지만, 비용이 많이 들거나 다시 산화막이 형성되는 문제로 실제 상용화까지 이어지지 못했다.

전기연 연구팀은 '그래핀' 소재에 주목했다. 그래핀은 화학적 안정성이 뛰어나고 전기전도도나 열전도도가 우수해 금속 소재의 산화 방지막으로 활용 가능하다. 

연구팀은 값싼 마이크론 크기의 상용 구리 입자를 사용해 가격 경쟁력을 높였고, 구리 입자 표면에 수층의 그래핀을 용액상에서 합성하는 '액상합성법'을 통해 대량 연속 공정 기반을 구축했다. 

제조된 구리-그래핀 복합성 잉크의 결정성이 우수해 6개월 이상 안정적으로 유지될 정도로 산화 방지에 효과적이다.

연구팀이 구리-그래핀 전극의 고온·내습 신뢰성 실험을 진행한 결과, 섭씨 85도, 상대습도 85%의 환경에서 6개월 동안 전기 전도도 변화는 5% 미만으로 나타났다.

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

특히 구리 입자의 크기, 광 에너지, 패턴 두께의 조절을 통해 다양한 전기전도도를 갖는 패턴 전극을 확보해 넓은 응용 분야로 적용할 수 있게 됐다. 

연구팀은 개발된 성과가 향후 전자파차폐 필름, 태양전지, 무선인식 안테나, 연성인쇄 회로기판, 웨어러블 신축 전극 등의 소재로 활용될 것으로 기대하고 있다. 

현재 이와 관련된 원천특허 출원과 양산준비 가능성을 검증하고 상업화를 위한 기술이전 수요 업체를 탐색하고 있다. 추후 기술이전, 사업화도 추진할 예정이다. 

연구책임자인 이건웅 책임연구원은 "구리표면에 수층의 그래핀을 합성하기 위해 세계최초로 액상합성법을 적용했다"라면서 "많은 시행착오를 통해 구리-그래핀 표면형상을 제어하는 방법을 개발해 대량 연속공정 가능성을 확보했다"고 설명했다. 

정희진 책임연구원은 "구리잉크의 산화에 의한 전기적 불안정성을 그래핀의 복합화를 통해 해결했다"면서 "저렴한 상용 구리 입자를 사용하고 양산성도 우수해 가격 경쟁력이 높다"라고 말했다.
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