Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 한중탁 센터장 한국전기연구원 나노융합기술연구센터
탄소나노 소재는 미래 소프트 일렉트로닉스에 매우 적합한 고유연성, 고전도성 등 우수한 전기전자 특성을 보이는 재료로서 전 세계적으로 기초과학 및 응용과학에 걸쳐 많은 연구가 이루어지고 있는 분야이다.
고분자계 바인더를 조합하여 기판 접착성과 내구성을 동시에 갖는 투명박막 제조 및 용액공정에 의한 ITO 대체용 투명전극 코팅 기술을 중점적으로 연구개발해 왔으며, 최근에는 탄소나노튜브와 그래핀을 이용한 전도성 페이스트 또는 잉크 기술을 개발하여 인쇄전자용 전도성 잉크, 에너지 저장 소자용 전도성 페이스트, 전도성 섬유용 나노카본 페이스트 등을 연구하고 있고 이러한 나노카본 소재를 응용한 각종 전기전자소자에 대한 연구도 병행되고 있다.
탄소나노 소재를 이용한 투명전극 기술의 경우 기존의 깨지기 쉬운 세라믹 재료인 인듐산화주석(Indium Tin Oxide, ITO)을 대체하기 위해 많은 시도가 이루어져 왔다.
특히, 대면적 용액공정에 의한 투명전극 기술개발이 주를 이루고 있으며, 용액공정에 의한 투명전극 개발에 있어 탄소나노 소재가 잘 분산된 코팅액의 개발이 가장 중요한 연구 분야이며, 코팅액을 이용한 100㎚ 이하의 박막으로 전기전도도가 매우 균일하고 외부환경에 노출되더라도 전기전도도가 변하지 않는 환경 신뢰성이 확보된 투명전극 박막을 형성하는 기술이 상업적으로 매우 중요하다.
하지만 탄소나노 소재 단독으로는 높은 투과도와 낮은 면 저항의 요구치를 충족시키지 못하기 때문에 최근 한국전기연구원의 본 센터에서는 은나노와이어의 장점과 탄소나노튜브의 장점을 접목하여 금속나노와이어의 단점을 보완하고 롤투롤 공정에 의해 양산이 가능한 기술을 해당 업체에 기술이전하고 상용화에 박차를 가하고 있다.
아울러, 전도성 잉크 기반의 박막기술 이외에 탄소나노 소재를 기반으로 하는 전도성 페이스트 기술에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
탄소나노 소재 기반 전도성 페이스트는 EMI 차폐, 방열, 인쇄전자용 전극, 에너지 저장용 전극뿐만 아니라 전도성 섬유 제조에 응용이 가능하여 지속적인 연구가 필요한 분야이다.
본 센터에서는 2013년에는 다중수소결합이 가능한 고차구조 관능기를 나노카본 소재에 도입하여 고농도 분산 문제를 획기적으로 해결함으로써 Nature Communications에 논문을 게재하였다.
이러한 원천 기술을 바탕으로 탄소나노튜브, 그래핀 등의 고농도 분산 기술을 발전시켜, 인쇄 전극패턴, 태양전지 촉매전극, 에너지저장 소자용 전극, 전도성 섬유 등의 연구를 진행하고 있다.
그래핀의 경우 결함이 적은 고품질의 그래핀을 Foam 형태로 대량 제조하여 페이스트화가 매우 용이하며 우수한 전도성을 지니는 코팅막 형성이 가능하다.
최근에는 저가 흑연을 이용해 50,000 S/m 이상의 전기전도도를 구현하고 있어, 향후 전자파 차폐, 방열 소재, 에너지저장 소자용 도전체로의 상업적 응용이 기대되고 있다.
아울러, 탄소나노 소재의 전기전도도 및 전기화학적 특성 등 다양한 물리화학적 특성들을 극대화하기 위해 나노금속, 금속산화물, 2차원 소재, 고분자 등을 하이브리드하여 실용화할 수 있는 원천 기술을 지속적으로 연구하고 있다.
이와 같이 탄소나노 소재와 이종 소재의 복합화 기술 중 탄소나노튜브, 그래핀과 나노금속을 복합화하여 신축 전극, 웨어러블 전극으로 활용이 가능한 소재 기술에 대해 소개하고자 한다(J. T. Han et al. “Synthesis of nano-belt-like 1-dimensional silver/nanocarbon hybrid materials for flexible and wearable electronics” Sci. Rep. 7, 4931, (2017)).
본 기술은 그림 2와 같이 자연에서 조개껍질이나 뼈가 단백질과 같은 유기체 표면에서 이온들이 결합하고 성장하여 독특한 모양의 결정으로 성장하는 메커니즘을 모방하여 탄소나노 소재 표면에서 금속결정을 유도 성장시켜 나노벨트 형상의 은입자와 탄소나노 소재가 복합화된 소재를 합성하는 기술이다.
종래의 기술은 탄소나노 소재를 단순히 기능화하여 표면에 구형의 금속나노 입자를 도입하는 시도가 많이 이루어졌다.
그러나 신축 전극과 같이 변형에 의해서도 전기가 잘 통하기 위해서는 이방성 구조의 금속과 탄소나노 소재가 복합화되어야 한다.
본 센터에서는 그림 3에서와 같이 2013년 탄소나노 소재를 분산하기 위해 생체물질인 단백질이나 DNA 나선구조에서 쉽게 찾아볼 수 있는 다중수소결합구조를 모방하여, 분산제 사용 없이 탄소나노 소재를 용액에 잘 분산할 수 있는 기술을 개발하였다(J.T.Han et al. “Dispersant-free conducting pastes for flexible and printed nanocarbon electrodes” Nature Communications 4, 2491 (2013)).
이 기술은 앞서 소개한 은나노와이어/탄소나노튜브 복합 유연투명전극 기술에 접목되기도 하였다.
우선 은입자를 합성하기 위한 탄소나노 소재의 기능화 또한 이와 같은 다중수소결합이 가능한 관능기를 도입하여 금속입자 합성에 용이한 용액 분산액을 제조하였다.
탄소나노 소재에 도입한 다중수소결합이 가능한 관능기는 그림 4에서와 같이 은입자를 만들기 위한 전구체인 은이온과도 서로 잘 끌어당기는 힘이 생기게 된다.
기존의 관능기는 단순히 한두 개의 이온만 끌어당기지만 초분자 구조인 다중수소결합 관능기는 다량의 이온이 한꺼번에 상호작용이 가능하여 이로부터 은입자가 기핵이 되고 이로부터 다양한 모양의 은입자가 성장할 수 있게 된다.
이는 앞서 소개한 Biomineralization에서 유기체 표면과 이온물질이 상호 인력에 의한 끌어당김에 의해 결정성장을 제어하는 것과 같은 원리로 작용한다.
그리고 가장 중요한 점은 이러한 반응이 자연에서 일어나는 반응과 같이 상온에서 아무런 열을 가하지 않고 단지 반응 용매에 기능화된 탄소나노 소재와 금속 전구체, 환원제만 첨가하여 교반해 주면 끝난다는 사실이다.
이는 기술 실용화에 매우 중요한 포인트라고 할 수 있다.
또한 쿠에트-테일러 반응기와 같은 연속 합성 장비를 이용하여 연속적으로 합성이 가능한 공정이다.
그림 5는 합성된 탄소나노 소재/은나노벨트 구조를 보여주고 있다.
다중수소결합 관능기가 도입된 탄소나노 소재를 적용하지 않을 경우 큰 마이크로미터 입자가 합성되는 반면, 다중수소결합 관능기가 도입된 탄소나노튜브나 그래핀을 적용하고 환원 속도를 느리게 하면 나노벨트와 같은 형상의 은나노벨트/탄소나노튜브 복합체가 합성되게 된다.
이러한 합성은 기능화된 탄소나노 소재의 농도, 은전구체 농도, 환원제의 농도에 의해 제어되며, 특히 환원 속도를 천천히 하여 기핵되는 과정을 제어함에 따라 은나노벨트 형상의 구조가 형성되게 된다.
이와 같이 형상이 제어된 은나노구조와 탄소나노 소재가 복합화된 소재를 합성한 이유는 서론에서도 언급한 바와 같이 유연소자용 전극으로 활용하기 위해서이다.
그 예로서, 그림 6에서와 같이 탄소나노튜브/은나노벨트 복합소재를 폴리우레탄 고무 소재와 혼합하여 페이스트를 제조한 후 용액 방사공정을 통해 1,000S/cm 이상의 고전도성 섬유를 제조할 수 있다.
이러한 전기전도성은 전도성 필러의 함량에 따라 변화시킬 수 있다.
특히, 전도성 필러의 함량이 일정량 이하일 경우 스트레칭에 의해 변형을 가해주게 되면 저항이 급격히 변화되는 스트레인 센서로 활용이 가능하다.
그림 6과 같이 손가락의 구부림에 의한 변형에 의해서도 저항이 300배 이상 변화되어 스트레인 센서의 특성을 나타내는 게이지 인자(Gauge Factor, GF) 값이 60 정도로 매우 우수한 특성을 나타낸다.
따라서 일반 직물에 바느질을 통해 섬유를 고정할 경우 스트레인 센서로 활용이 가능하다.
다음 예로는 그래핀/은나노벨트 복합소재를 전기가 매우 잘 통하는 종이로 만들어 보았다.
종이는 그 모양을 다양하게 만들 수 있다는 장점을 지니고 있는데, 그림 7에서와 같이 합성된 복합소재를 필터링하여 종이로 만들 경우 전기전도성이 1,500S/㎝ 정도이고 종이처럼 접었다 펴더라도 그 전기전도성을 유지하는 것을 알 수 있다.
이는 단순히 금속만으로는 불가능한 현상이다.
본 기술에서는 그래핀을 은나노벨트와 복합화함에 따라 기계적 특성이 크게 향상되었다는 것을 알 수 있다.
보다 더 기계적 특성을 향상시키고자 할 경우 단일벽 탄소나노튜브를 혼합할 경우 심하게 구겼다 펴더라도 전기전도성이 유지되는 우수한 기계적 특성을 보이게 된다.
이와 같은 높은 전기전도성을 보이는 종이는 유연한 전자파 차폐용으로 활용이 가능할 것으로 생각된다.
본 연구센터에서 연구 중인 전도성 잉크 및 페이스트 시장은 2014년 20억 달러 규모의 매우 큰 시장을 이루고 있으며, 향후 플렉시블 디바이스, 웨어러블 디바이스 시장이 확대될 것으로 예상되는바 전도성 소재 및 이를 이용한 잉크 및 페이스트 시장은 연평균 3.2% 이상의 매우 빠른 성장이 예상된다(IDTechEx, 전도성 잉크 시장전망 2014-2024).
이에 따라 본 연구센터에서는 탄소나노 소재를 기반으로 하는 전도성 잉크/페이스트 기술 및 이를 활용한 다양한 유연/신축 전극 기술을 지속적으로 개발하고자 한다.
아울러 기업이 요구하는 비즈니스 모델 및 상용화가 가능한 기술을 연구개발하여 기업에 이전함으로써 기업과 연구자가 상생할 수 있도록 노력할 것이다.