실리콘 및 구리 단점 그래핀으로 해결

한국전기연구원(KERI) 전기재료연구본부의 ‘미래 모빌리티 배터리 및 전장부품용 금속/그래핀 복합전극 개발’ 성과가 올해 국가연구개발 우수성과 100선에 올랐다.

한국전기연구원은 9일 한국100선 중에서도 12개 성과만 뽑히는 최우수(기계·소재 부문)로 선정됐다고 밝혔다.

차세대 E-모빌리티 분야에서 주목받은 이번 성과는 크게 ‘리튬이온전지용 고용량 실리콘/그래핀 복합 음극재 기술’과 ‘전장부품용 저가형 구리/그래핀 복합 잉크 기술’로 구성된다.

‘고용량 실리콘/그래핀 복합 음극재 기술’은 친환경 전기차/선박/드론/로봇 등의 핵심 부품인 리튬이온전지의 차세대 음극 소재인 ‘실리콘(Si)’의 단점을 그래핀으로 보완해 상용화 가능성을 높였다.

실리콘은 기존에 사용하던 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르다는 장점을 갖고 있다. 하지만, 충·방전 시 300% 수준의 부피팽창 문제와 전기 전도도가 낮다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 KERI는 전도성이 우수하고, 전기 화학적으로도 안정된 ‘그래핀’을 실리콘과 복합화해 이상적인 리튬이온전지용 고용량 음극재를 제조했다.


이미 연구팀은 10여 년 이상 연구를 통해 높은 결정성과 전기 전도성을 가지는 고품질의 그래핀을 제조하고, 이를 리튬이온전지 음극 제조 공정에 바로 적용 가능한 ‘고농도 페이스트 형태의 그래핀 수(水)계 분산 기술’을 보유하고 있었다.

연구팀은 이같은 기술을 기반으로 ‘코어-쉘(Core-Shell, 코어인 실리콘을 그래핀이 껍데기처럼 감싸는 방식) 구조의 복합 음극재를 대량으로 제조하는 데 성공했다. 재료도 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm) 크기의 실리콘을 활용해 가격 경쟁력을 확보했다.

전문가들은 실리콘/그래핀 복합 음극재 기술을 전기차에 적용할 경우, 배터리의 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 보고 있다. 해당 기술은 높은 기술력을 인정받아 지난해 전기·전자 소재·부품 전문기업인 ㈜HNS(대표 남동진)에 11억 원의 금액에 기술이전됐고, 현재 상용화가 준비되고 있다.

‘저가형 구리/그래핀 복합 잉크 기술’은 전기가 통하는 잉크로, 각종 전기·전자기기의 부품 제조는 물론, 우리나라 소재·부품 산업 전 방위에 활용되는 필수 소재다. KERI 기술의 특징은 잉크 재료로 기존 은(Silver)의 1/10 가격 수준인 구리(Copper)를 이용했다는 것이다.

구리는 은보다 녹는점이 높고, 공기 중에 노출되면 표면에 산화막이 쉽게 형성돼 전기가 흐르지 않는다는 치명적인 문제가 있었는데, 연구팀은 세계 최초로 자체 개발한 ‘액상합성법’을 통해 구리 표면에 그래핀을 효과적으로 합성해, 구리의 산화 방지는 물론, 잉크를 대량 생산할 수 있는 공정 기술을 확보했다.

구리/그래핀 복합 잉크 기술의 의의는 수입 대체다. 정밀 부품을 제조하기 위한 기존 고품질의 도전성 은 잉크는 일본 등 수입 의존도가 무려 95%에 달한다. 이번 KERI 개발 기술을 통해 수입대체는 물론, 소재·부품의 자립화 기반을 구축할 수 있게 됐다. 관련 기술 역시 금속소재 및 잉크 제조 전문기업인 대성금속(주)(대표이사 노윤구)에 5.5억원의 금액으로 기술이전이 됐고, 이미 양산화까지 이루어져 현재 디스플레이 및 모빌리티 전장 배선을 만드는데 구리/그래핀 잉크가 활용되고 있다.

연구 책임자인 KERI 이건웅 전기재료연구본부장은 “우리의 성과는 부가가치가 매우 큰 미래 모빌리티 분야에서 중요한 전기 신소재·부품의 기술 자립 실현은 물론, 품질과 신뢰성까지 확보하는 데 크게 기여할 것”이라고 밝히며 “국가연구개발 우수성과 100선 선정은 그간의 노력과 기술의 가치를 인정받는 것이라 대단히 기쁘다”라고 전했다.