그래핀, 산화방지 효과 뛰어나
10배 비싼 ‘은 잉크’ 대체 가능
[한국에너지신문] 전기 전도도가 기존의 은(銀) 잉크와 대등하면서도 가격을 낮출 수 있는 구리-그래핀 합성 잉크가 국내 연구진에 의해 개발됐다.
기존의 은 잉크는 전자기기의 배선 및 회로, 전극으로 사용되고 있다. 전기 전도도가 높고 산화가 잘 되지 않기 때문이다. 하지만 은은 가격이 만만치 않아 대체 제품을 개발하기 위한 움직임이 계속돼 왔다.
이번에 전기연구원 나노융합기술연구센터 이건웅 책임연구원과 정희진 책임연구원 등이 개발한 차세대 전극용 합성잉크는 꿈의 나노소재로 불리는 ‘그래핀’을 구리에 합성했다.
구리는 성능은 은과 유사하고 가격은 1/10 정도 더 저렴한 금속 소재다. 그러나 구리는 은보다 녹는 점이 높고 공기 중에 노출되면 표면에 산화막이 형성된다. 전극 제조 과정 중 고온에 노출되었을 때 구리 입자가 산화되는 단점도 있다.
산화막이 형성된 구리는 전기가 흐르지 않기 때문에 이를 방지할 수 있는 완벽한 기술을 개발해야 했다. 특히 국내외 연구진은 산화막을 막기 위한 다양한 연구결과를 발표했으나, 비용이 많이 들거나 산화막이 재형성되는 문제는 피할 수 없어 실제 상용화로는 이어지지 못했다.
전기연구원 연구팀도 이를 해결하기 위해 ‘그래핀’을 활용하기로 했다. 그래핀은 화학적 안정성이 뛰어나고 전기 전도도와 열 전도도가 우수해 금속 소재의 산화방지막으로 활용할 수 있다.
연구팀은 같은 구리라도 나노 크기가 아닌 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 결정성은 매우 우수해 6개월 이상 안정적으로 유지될 정도로 산화 방지에 효과적이다. 전기연구원 연구팀은 구리-그래핀 전극의 고온·내습 신뢰성 실험을 진행한 결과, 섭씨 85도, 상대습도 85%의 환경에서 6개월 동안 전기 전도도 변화가 5% 미만임을 확인했다.
연구팀은 이를 기반으로 분산성이 우수한 고점도 잉크를 제조하고 스크린 인쇄를 통해 해상도가 높은 패턴 막을 형성했다. 광열 소성을 통해 은과 유사한 수준의 전기 전도도를 구현했고 상용화 가능 기술을 확보했다. 특히 구리 입자의 크기, 광 에너지 및 패턴 두께를 조절해 다양한 전기 전도도를 갖는 패턴 전극을 확보했다.
연구팀은 개발된 성과가 향후 전자파차폐(EMI) 필름, 태양전지, 무선인식(RFID) 안테나, 연성인쇄 회로기판(f-PCB) 및 웨어러블 신축 전극 등의 소재로 활용될 것으로 기대하고 있다. 현재 이 연구 성과에 대한 원천특허 출원과 자체적인 양산준비 가능성을 검증하고 상업화를 위한 기술이전 수요 업체를 탐색하고 있다.
