일본 수입의존 높은 전도성 금속잉크, ‘그래핀’으로 해결한다

구리-그래핀 복합 파우더(왼쪽)와 잉크(오른쪽)./제공=한국전기연구원

올해 일본 정부가 한국을 대상으로 반도체 관련 3개 핵심소재에 대한 수출규제를 발표한 이후 국내에서 소재산업 국산화 연구에 ‘속도’가 나고 있다. 최근 국내 연구진이 그동안 대일 수입의존도가 높았던 ‘전도성 금속잉크’의 대체 기술을 개발하고 상용화를 목전에 두고 있다.

3일 한국전기연구원(KERI)에 따르면 나노융합연구센터의 이건웅·정희진 박사팀이 개발한 ‘금속·그래핀 입자 및 복합잉크 제조기술’을 최근 국내 업체에 기술이전했다.

현재 시판되고 있는 전도성 금속잉크의 주요 소재 은의 경우 전기 전도도가 높고 산화가 잘 되지 않는 장점이 있지만, 가격이 매우 높다. 특히 고품질 은 잉크는 높은 수준의 기술력이 필요하다 보니 그동안 일본 수입의존도가 높았고, 이에 따라 대체 소재 발굴 및 국산화 노력이 많은 관심을 받아 왔다.

이에 KERI 연구팀은 화학적 안정성이 뛰어나고 전기 및 열 전도성이 우수해 금속 소재의 산화 방지막으로 활용이 가능한 ‘그래핀’에 주목, 그래핀을 구리에 합성해 가격은 낮추면서도 뛰어난 전기 전도성을 지닌 ‘구리-그래핀 복합 잉크’를 개발했다. 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.

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 성과”라고 전했다.

KERI는 개발 기술을 금속소재 및 잉크 제조 전문기업인 대성금속㈜에 착수기술료 5.5억원, 경상기술료 1.5% 조건으로 기술이전했다. 대성금속은 월 1톤의 구리·그래핀 복합 입자 대량 생산설비를 구축, 생산규모를 내년 1분기 월 10톤까지 확대할 예정이다. 이를 기반으로 디스플레이 및 모바일 기기의 배선전극에 해당 기술을 우선적으로 적용하여 조기 상용화를 달성하고, 추후 자동차 전장 부품 및 배터리 분야로 확장해 관련 기술 분야를 선도한다는 목표다.