‘구리-그래핀’ 복합 잉크 개발, 10배 비싼 '은 잉크' 대체

기사입력 : 2018년08월16일 10:44

최종수정 : 2018년08월16일 10:44

전기硏, 고전도성·고신뢰성 구리-그래핀 복합 잉크 개발
세계 최초 액상합성법 통한 대량 생산
터치패널 등 유연 인쇄전극 분야 가격경쟁력 확보

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 비싼 은(Ag) 잉크와 성능은 비슷하면서도 가격은 10분의 1 수준으로 낮춘 차세대 복합 잉크가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 터치패널, 디스플레이 등 유연 인쇄전극 분야에서 안정적이면서도 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 기술로 기대된다.

16일 한국전기연구원(KERI·원장 최규하)에 따르면 KERI 나노융합기술연구센터 이건웅·정희진 책임연구원은 꿈의 나노소재라고 불리는 그래핀을 구리에 합성해 가격은 낮추면서도 뛰어난 전기 전도성을 갖는 ‘구리-그래핀 복합 잉크’를 개발했다.

현재 시판되고 있는 전도성 잉크 소재 중에 가장 많이 사용되고 있는 소재는 귀금속계 계열인 은이다. 은은 전기 전도도가 높고 산화가 잘 되지 않는다는 장점이 있지만 비싼 단점이 있다. 이에 성능은 은과 유사하면서도 가격은 10배 저렴한 구리(Cu)가 대체 소재로 주목을 받아 왔다.

액상합성법으로 제조된 구리·그래핀 복합소재의 모식도 및 전자현미경 사진 2018.08.16 [자료=한국전기연구원]

하지만 구리는 은보다 녹는점이 높고 공기 중에 노출되면 표면에 쉽게 산화막이 형성되는 문제가 있다. 구리 입자 크기를 수십 나노미터로 줄이거나 표면에 은을 추가로 입혀 단점을 해결하기 위한 시도 등 산화막을 막는 여러 연구도 실제 상용화까지 이어지지 못했다. 그야말로 난제 중의 난제였던 것이다.

KERI 연구팀은 이를 해결할 목적으로 ‘그래핀’ 소재를 주목했다. 그래핀은 화학적 안정성이 뛰어나고 전기전도도 및 열전도도가 우수해 금속 소재의 산화 방지막으로 활용이 가능한 나노 소재다.

연구팀은 같은 구리라도 나노미터(10억분의 1미터) 크기가 아닌, 더 값싼 마이크론미터(100만분의 1미터) 크기의 상용 구리 입자를 사용해 가격 경쟁력을 높였다. 또 구리 입자 표면에 수층의 그래핀을 용액상에서 합성하는 ‘액상합성법’을 통해 대량 연속 공정의 기반을 구축했다.

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

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

광열소성(photothermal sintering)이란 대기중에서 1000분의 1초의 짧은 시간에 높은 에너지를 갖는 빛을 쏘여주면 이를 흡수해 열 에너지로 전환되면서 분말 입자들이 열적 활성화 과정을 거쳐 하나의 덩어리로 되는 현상이다.

특히 구리 입자의 크기, 광 에너지 및 패턴 두께의 조절을 통해 다양한 전기전도도를 갖는 패턴 전극을 확보해 폭넓은 응용 분야로 적용이 가능하게 됐다.

이건웅 책임연구원은 “구리표면에 수층의 그래핀을 합성하기 위해 세계 최초로 액상합성법을 적용, 많은 시행착오를 통해 구리-그래핀 표면형상을 제어하는 방법을 개발해 대량 연속공정 가능성을 확보했다”고 설명했다.

정희진 책임연구원은 “이번 성과는 구리 잉크의 산화에 의한 전기적 불안정성을 그래핀의 복합화를 통해 해결한 것”이라 밝히며 “더 저렴한 상용 구리 입자를 사용하고 양산성도 우수해 가격 경쟁력이 매우 높다”고 전했다.

연구팀은 개발된 성과가 향후 전자파차폐(EMI) 필름, 태양전지, 무선인식(RFID) 안테나, 연성인쇄 회로기판(flexible PCB) 및 웨어러블 신축 전극 등의 소재로 활용될 것으로 기대하고 있다.

◆ 연구자가 직접 전하는 ‘연구이야기’

연구책임자인 정희진 책임연구원(왼쪽)과 이건웅 책임연구원(오른쪽)이 구리-그래핀 복합 파우더와 잉크를 각각 들고 포즈를 취하고 있다. 2018.08.16. [사진=한국전기연구원]

- 이번 성과 무엇이 다른가?

▲고비용의 고온·진공 소성공정의 단점을 해결하기 위해 기존에는 구리 입자 크기를 수십 나노미터 수준으로 줄이거나 표면에 은을 추가적으로 입히는 방법을 사용했으나 이것 또한 고비용의 문제를 해결하기 어려웠다. 이번 개발기술은 마이크론 크기의 상용 구리입자 표면에 대량 연속 합성이 가능한 그래핀 복합화를 통해 가격경쟁력 및 전기적 불안정성을 동시에 해결했다.

- 어디에 쓸 수 있나.

▲전자파차폐 필름, 태양전지, RFID 안테나, 연성인쇄회로기판 및 웨어러블 신축전극 등의 소재로 활용 가능하다.

- 실용화까지 필요한 시간은.

▲기존 전도성 금속잉크 기반기술이 충분히 성숙해 있어 기술이전 시 2년내 실용화가 가능하다.

- 연구를 시작한 계기는.

▲환경신뢰성이 우수한 2차원 나노 소재인 그래핀의 다양한 연구를 진행하던 중, 복합화하면 구리 소재의 단점을 획기적으로 극복할 수 있을 것으로 판단해 시작했다.

- 에피소드가 있다면.

▲탄소나노소재를 전문적으로 연구하다보니 금속 나노소재에 대한 약간의 반감도 있었지만, 이번 연구를 통해 탄소나노소재와 금속 나노소재가 합쳐질 경우 시너지 효과가 있다는 것을 분명히 알게 됐다.

- 꼭 이루고 싶은 목표는.

▲기술이전을 통한 상용화로 RFID 안테나, 연성 인쇄회로기판 등의 제품에 적용시키는 세계 최초 기술로 발전시키고자 한다.

- 신진연구자를 위한 한마디.

▲분야가 다르더라도 지속적인 연구를 통해 자기가 갖고 있던 전문지식을 잘 활용한다면 독창적이고 창의적인 연구결과를 만들어낼 수 있을 것이다.

kimys@newspim.com

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강릉 옥계항 코카인 추정 마약 대량 적발 [세종=뉴스핌] 백승은 기자 = 관세청과 해양경찰청이 강릉 옥계항에 입항하는 외국 무역선 선박을 수색애 코카인으로 의심되는 마약을 대량 적발해 조사 중이라고 2일 밝혔다. 전날 두 기관은 미국 연방수사국(FBI)과 국토안보수사국(HSI)으로부터 A선밖에 마약이 숨겨져 있다는 정보를 입수했다. A 선박은 벌크선으로 3만2000톤이며, 승선원 외국인은 20명이다. 관세청과 해양경찰청이 강릉 옥계항에 입항하는 외국 무역선 선박을 수색해 코카인으로 의심되는 마약을 대량 적발했다. [사진=관세청] 2025.04.02 100wins@newspim.com 두 기관은 합동 검색작전을 수립하고, 선박의 규모가 길이 185미터(m)인 점과 검색 범위 등을 고려해 서울세관·동해해경청 마약 수사요원 90명 및 세관 마약탐지견 2팀 등 합동 검색팀을 구성했다. 검색팀은 2일 오전 6시 30분 옥계항에 긴급 출동해 A 선박이 입항한 직후 선박에 올라타 집중 수색을 실시했다. 수색 중 검색팀은 선박 기관실 뒤편에서 밀실을 발견했고, 집중 수색 결과 개당 약 20킬로그램(kg) 전후 마약으로 의심되는 물질이 담긴 박스 수십 개를 발견했다. 검색팀이 간이시약으로 검사한 결과 코카인 의심 물질로 확인됐다. 정확한 중량은 하선 이후 정밀 계측기를 통해 측정하고 마약 종류는 국가과학수사연구원에 의뢰해 확인할 예정이다. 앞으로 관세청과 해경청은 합동수사팀을 운영해 해당 선박의 선장 및 선원 등 20여명을 대상으로 밀수 공모 여부와 적발된 마약의 출처 등을 수사할 계획이다. 국제 마약 밀매 조직과의 연관성도 고려해 미국 FBI와 HSI 등 관계 기관과의 공조를 통해 수사를 확대할 방침이다. 100wins@newspim.com 2025-04-02 17:57

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재주는 트럼프가, 돈은 브라질이 [서울=뉴스핌] 최원진 기자= 도널드 트럼프 미국 행정부의 관세 공세로 글로벌 무역전쟁이 격화하는 가운데, 브라질이 주요 승자로 부상하고 있다고 월스트리트저널(WSJ)이 1일(현지시간) 보도했다. 보도에 따르면, 중국은 트럼프 대통령이 부과한 대중(對中) 관세에 맞서 미국산 농산물에 보복 관세를 매기며 대체 수입처로 브라질을 주목하고 있다. 수출입 컨테이너 [사진=블룸버그] 중국 가공업체들은 트럼프 대통령이 지난 1월 취임하기 전부터 브라질산 대두를 비축하기 시작했고, 올해 1분기 필요한 물량의 거의 전량을 브라질에서 조달했다. 이는 지난해 같은 기간 54% 수준이었던 브라질산 비중과 비교하면 큰 폭의 증가다. 가격도 상승세다. 상파울루대학 산하 연구기관 세페아(CEPEA)에 따르면, 브라질 항구에서 선적되는 대두의 프리미엄은 중국이 미국산 대두에 10% 관세를 발표한 직후 일주일 동안 약 70% 급등했다. 3월 선적 기준으로는 부셸당 85센트를 기록해 3년 만에 최고치를 찍었다. 닭고기와 달걀 수출도 두 자릿수 증가율을 보인다. 브라질의 가금류·돼지고기·달걀 수출업체를 대표하는 브라질동물단백질협회(ABPA)의 히카르두 산틴 협회장은 올해 들어 브라질의 닭고기 수출은 지난해 같은 기간보다 9%, 달걀 수출은 20% 증가했다고 밝혔다. 브라질은 미국과 달리 조류 인플루엔자를 겪고 있지 않아, 안정적인 공급처로 주목받고 있다. 여기에 중국이 미국산 닭고기에 15%의 보복관세를 부과하면서 브라질산이 대안으로 떠오르고 있다는 설명이다. 사실 브라질과 중국의 교역 관계는 최근 수년 빠르게 확대됐다. 중국은 2009년에 미국을 제치고 브라질의 최대 무역 파트너로 부상했다. 쇠고기, 철광석, 석유 등 자원이 풍부한 브라질은 중국의 막대한 수요에 맞춰 수출을 확대해 왔고, 중국은 브라질의 인프라 건설에 대규모 자본을 투입하고 있다. 현재 중국은 브라질 전체 전력 공급의 약 10%를 차지하고 있으며, 항만과 도로, 철도 등 주요 기반 시설 건설에도 깊숙이 관여하고 있다. 브라질은 미국 시장에서도 수출 확대 가능성을 보고 있다. 중국은 미국의 주요 신발 수출국인데, 미국이 중국산 제품에 고율 관세를 부과할 경우 아시아를 제외하고 최대 신발 생산국인 브라질이 그 자리를 일부 대체할 수 있다는 전망이 나온다다. 하롤두 페헤이라 브라질 신발산업협회(Abicalçados) 회장은 "브라질산 제품에 별다른 관세가 없다면, 미국 수출 확대의 기회가 될 수 있다"라고 밝혔다. 글로벌 무역전쟁 국면에서 오히려 특수를 누릴 것이라는 기대는 브라질 증시에도 훈풍으로 작용했다. 올 들어 브라질 증시는 9% 넘게 오르며 뉴욕 증시를 아웃퍼폼하고 있다. 올 들어 브라질 증시는 9% 넘게 상승, 연중 5% 가까이 하락한 뉴욕증시의 S&P500 지수와 대조를 이룬다 [사진=koyfin] wonjc6@newspim.com 2025-04-02 15:30