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전도성 금속잉크 ‘그래핀’으로 해결, 액상합성법 통한 대량 생산가능

‘은’ 대체, 전기·전자 소재 및 부품 가격경쟁력 확보

[산업일보]
전도성 잉크는 수많은 전자기기의 배선 및 회로, 전극의 핵심 재료이다. 현재 사용되고 있는 고가의 귀금속계 계열인 은 잉크 소재를 대체하고자 하는 노력으로 구리, 니켈, 철 등의 저가 비귀금속계 계열의 잉크소재가 연구되어 왔으며, 최근에는 전기 전도도가 우수한 구리가 대체재로 각광받고 있다. 하지만 구리 소재는 높은 소성온도와 산화특성으로 인한 전기적 안정성 저하로, 신뢰성에 대한 문제가 제기되고 있다. 구리 입자 크기를 수십 나노미터로 줄이거나 표면에 은을 추가적으로 입혀 단점을 해결하기 위한 시도가 진행되고 있지만 이것 또한 고비용의 문제를 해결하기는 어려운 실정이다.

전도성 금속잉크 ‘그래핀’으로 해결, 액상합성법 통한 대량 생산가능
핵심개발자인 정희진 박사(왼쪽)와 이건웅 박사(오른쪽)가 구리-그래핀 복합 파우더와 잉크를 각각 들고 포즈를 취하고 있다.

일본 수입의존도가 높은 전도성 금속잉크를 ‘구리-그래핀’ 복합 잉크를 개발함으로써, 경쟁력을 확보하게 됐다.

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 제조기술’을 최근 국내 업체에 기술이전 했다고 밝혔다.

현재 시판되고 있는 전도성 금속잉크의 주요 소재는 귀금속 계열의 은(Ag, Silver)이다. 은은 전기 전도도가 높고 산화가 잘 되지 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.

KERI 개발 기술은 꿈의 나노 신소재라고 불리는 ‘그래핀’을 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 이루어진 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.

전도성 금속잉크 ‘그래핀’으로 해결, 액상합성법 통한 대량 생산가능
구리·그래핀 복합소재 기반의 고점도 잉크와 이를 이용해 인쇄된 패턴사진 및 소성 후 고온/고습 환경에서의 전기적 특성 변화실험 결과

또한 마이크론 크기의 값싼 상용 구리 입자를 사용해 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.

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 성과다”고 전했다.

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.

대성금속(주) 노윤구 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 했다.
김예리 기자 yrkim@kidd.co.kr

해외 글로벌 기업들의 동향을 신속 정확하게 보도하겠습니다.

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