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그래핀이 들어간 초고강도·고성능 케이블 개발

산·학·연 공동연구 통해 고성능·고효율·경량화, 새로운 개념의 케이블 개발
차세대 전기자동차 핵심부품 및 고용량 전력전송선 활용 기대

최근 자율주행 및 전기자동차 시장 확대와 함께 자동차용 하네스 케이블 사용이 증가함에 따라, 전선의 경량화와 자동차 연비향상의 필요성이 대두되고 있다. 뿐만 아니라 전력발전소로부터 일반 가정까지 연결되는 수많은 전력전송 케이블도 가볍고 기계적 강도가 큰 전선 소재의 사용이 필수적이다. 최근 국내 연구진이 탁월한 전기적 특성으로 ‘꿈의 소재’라고 불리는 2차원 나노소재인 그래핀*을 이용하여 고성능, 고효율, 경량화된 새로운 개념의 케이블을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

*그래핀(Graphene) : 강철보다 100배 강하면서 유연한 뛰어난 물리적 특성으로 차세대 소재로 주목받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사팀은 서울대학교(총장 성낙인) 자연과학대학 화학부 및 차세대융합기술연구원 홍병희 교수팀, 서울대 창업 기업인 벤처기업 그래핀스퀘어(주)(대표 채윤)와 함께 공동연구를 통해 복합화하여 초고강도· 고성능 전선을 제조할 수 있는 원천기술을 개발했다고 밝혔다. KIST 양자응용복합소재연구센터는 작년 11월, 상기 두 기관과 그래핀 융합기술 개발을 위한 산·학·연 공동개발을 위해 삼자 간 업무협약을 체결한 바 있다.

KIST-서울대 공동연구팀은 화학증기증착법(chemical vapor deposition, CVD)을 활용하여 그래핀 섬유를 먼저 합성한 후 이를 전기분해의 원리를 이용하여 그래핀 섬유의 표면에 얇은 구리 막을 입히는 간단한 방법을 통해 전선 형태의 그래핀-금속 복합구조체를 제조하였다. 이렇게 제조된 그래핀-금속 복합구조체 전선을 통해 기존 구리전선 대비 2배 이상의 기계적 강도와 10배 이상의 최대 허용 전류량을 확보했다. 개발된 전선은 고효율 전력전송선뿐 아니라 핵심 자동차부품인 하네스 케이블(차량용 배선)과 고성능전기모터의 고성능화‧경량화에도 활용이 가능하다.

이번 연구진이 개발한 그래핀-구리금속 복합전선 개발은 기계적인 특성과 전기적 특성을 모두 획기적으로 개선한 새로운 개념의 케이블 전선 기술을 제시하였다는 측면에서 큰 의의가 있으며, 향후 항공우주 및 웨어러블 분야에도 다양한 응용이 가능할 것으로 기대된다.

KIST 배수강 박사는 “고성능의 그래핀-금속 복합구조체 전선을 위해서는 고품질의 다층 그래핀을 합성하는 기술이 매우 중요하다”며, “꿈의 신소재인 그래핀의 특성과 구리전선의 장점을 융합함으로써 고출력 전력전송과 경량화라는 두 마리 토끼를 잡은 것”이라고 밝혔다.

서울대 홍병희 교수는“최근 구글로부터 그래핀을 이용한 전력전송선 개발에 대해 문의 받은 경험이 있다.”라며, “향후, 그래핀-구리 복합전선을 상용화한다면 180조에 이르는 세계 케이블 전선시장에 지각변동을 불러올 것”이라고 전망하였다.

이 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노재료 분야의 권위지인 ACS Nano(IF: 13.942, JCR 상위 3.27%) 최신호에 게재되었다.

□ (논문명) ‘Ultrastrong Grpahene-Copper Core-Shell Wires for High-Performance Electrical Cables’ ACS Nano, 12, 2803–2808 (2018).
  - (1저자) 김상진 박사, 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 Post-Doc.
  - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 배수강 박사(선임연구원)
                  서울대학교 자연과학대학 화학부 및 차세대융합기술연구원 홍병희 교수

  • <그림 1> 그래핀 섬유 및 그래핀-구리 복합구조체 전선 제조 모식도
  • (상단) 그래핀을 고온에서 합성하고 선 패턴화 통해 그래핀 섬유를 제조하는 공정. (하단) 전해도금을 통해 그래핀 섬유의 표면에 구리를 증착하는 공정

□연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
구리(Cu)는 우수한 전기적 특성과 더불어 상대적으로 저렴한 가격으로 인해, 전극 소재 및 전선 등 전기 장치에 보편적으로 활용되는 소재이다. 하지만 최근 구리가 가지는 전류수송능력 및 기계적 특성의 한계로 인해 대체소재 개발에 관한 관심이 매우 높은 상황이다. 그래핀은 각 탄소 원자들이 육각형의 격자를 이루는 형태로 벌집 모양을 연상시키는 구조를 가지고 있으며, 뛰어난 전기 전도성 및 열전도성을 가진다는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강하지만 신축성 또한 매우 뛰어나 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다는 장점을 가지고 있다. 이러한 그래핀의 장점과 구리가 가지는 한계를 극복하고자 그래핀과 구리를 복합구조체로 형성시키는 연구를 수행하였으며, 이를 통해 경량화 및 고전력 수송이 가능한 전선 대체소재를 개발하고자 하였다.

2. 연구내용
연구팀은 먼저 화학증기증착법을 활용하여 다층의 그래핀을 합성하기 위해 니켈(Ni) 금속을 촉매제로 기판상에 증착한 후 고온에서 합성하는 공정을 거쳐, 필름상의 그래핀을 섬유형태로 뽑아내기 위하여 선(line) 패턴 공정을 수행하였다. 이후 식각 용액을 통해 촉매 금속을 제거한 후 분리 및 정제 공정을 거쳐 그래핀 섬유를 제조하였다. 이후, 일반적으로 많이 사용되고 있는 전해도금 공정을 통해 시간에 따라 그래핀 섬유 표면에 증착되는 구리 금속의 정도를 제어하였으며, 약 500초 정도의 도금 공정을 통해 표면이 매끈한 전선 형태의 그래핀-금속 복합구조체를 제조하였다.
이렇게 제조된 그래핀-금속 복합구조체 전선은 기계적 강도가 기존 구리전선에 비해 2배 이상 향상되었으며, 구리 전선에 의해 흐를 수 있는 전류량도 10배 이상 향상이 가능함을 보임으로써 고전류밀도가 필요한 전선 응용 이외에도 향후 다양한 응용 분야에 이와 같은 그래핀-금속 복합구조체가 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

3. 기대효과
산업 고도화에 따라 기존 복합소재의 한계를 극복할 수 있는 고성능 구조용/기능성 복합소재가 절실히 요구되고 있다. 본 연구를 통해 탄소 소재를 활용하는 복합소재 응용 연구 분야는 더욱더 확장 가능할 것으로 예상되며 그 특성에 따라 IT, 우주, 항공, 국방, 환경, 에너지 등 다양한 분야에서 적용이 파급효과가 클 것으로 예측된다.

□용어 설명

1. 그래핀
연필심에 사용되어 우리에게 친숙한 흑연은 탄소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 층으로 쌓여 있는 구조인데, 이 흑연의 한 층을 그래핀(Graphene)이라 부른다. 그래핀은 0.2㎚의 두께로 물리적, 화학적 안정성이 매우 높다. 2004년 영국의 가임(Andre Geim)과 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 연구팀이 상온에서 투명테이프를 이용하여 흑연에서 그래핀을 떼어 내는 데 성공하였고, 그 공로로 이들은 2010년 노벨 물리학상을 받았다.
그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또한, 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명하며 신축성도 매우 뛰어나다.
이러한 그래핀의 활용 분야는 매우 다양하다. 높은 전기적 특성을 활용한 초고속 반도체, 투명 전극을 활용한 휘는 디스플레이, 디스플레이만으로 작동하는 컴퓨터, 높은 전도도를 이용한 고효율 태양전지 등이 있는데, 특히 구부릴 수 있는 디스플레이, 손목에 차는 컴퓨터나 전자 종이를 만들 수 있어서 미래의 신소재로 주목받고 있다.

2. 전류밀도
전도성을 띄는 물질이 단위면적당 흐를 수 있는 전류량을 나타내며, 단위는 A/cm2 으로 표현된다. 결국, 도선의 전류밀도가 높다는 것은 도선 내에 흐를 수 있는 전류량이 높다는 것을 의미한다.

<그림 2> 그래핀-구리 복합구조체 전선의 기계적 특성 및 전자현미경 이미지
(좌상) 그래핀 섬유의 구부림 정도에 따른 전기적 특성이 크게 변하지 않음.
(좌하) 복합체의 최대인장강도 측정 결과, 기존 섬유의 결과에 비해 우수함을 확인 가능.
(우) 그래핀-구리 섬유의 절단면 관찰

<그림3> 기존 구리전선과 그래핀-구리 복합구조체 전선의 전기적 특성 비교
(좌) 그래핀-구리 복합체의 구리 전해도금 정도에 따라 기존 구리전선과 유사한 전도도 값을 보임.
(우) 기존 구리에 비해 그래핀-구리 복합체의 최대 전류밀도 값이 10배 정도 향상된 결과를 보임.

□배수강 박사 (교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명: 배수강
 ○ 소 속: 한국과학기술연구원 전북분원
            복합소재기술연구소 양자응용복합소재연구센터
 ○ 전 화: 063-219-8158
 ○ e-mail: sbae@kist.re.kr

2. 학력사항
○ 2006 동국대학교 화학과 학사
○ 2012 성균관대학교 SKKU Advanced Institute of Nano Technology (SAINT) 박사
 
3. 주요경력사항 
○ 2012~2013 성균관대학교 SAINT 박사 후 연구원
○ 2013~현재  한국과학기술연구원 선임연구원
○ 2015~현재  한국진공학회 반도체 및 박막분과회 운영위원

□홍병희 교수 (공동교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명: 홍병희
 ○ 소 속: 서울대학교 자연과학대학 화학부 교수
          서울대학교 차세대융합기술연구원
          그래핀융합기술연구센터 센터장
 ○ 전 화: 02-882-6569
 ○ e-mail: byunghee@snu.ac.kr

2. 학력사항
 ○ 1998 포항공과대학교 화학과 학사
 ○ 2000 포항공과대학교 화학과 이삭석사
 ○ 2002 포항공과대학교 화학과 이학박사

3. 주요경력사항 
 ○ 2004~2007 컬럼비아대학교 물리학과 Post-Doc
 ○ 2007~2011 성균관대학교 화학과 조교수
 ○ 2011~2017 서울대학교 자연과학대학 화학과 부교수
 ○ 2017~ 현재 서울대학교 자연과학대학 화학과 교수

□김상진 박사 (주저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명: 김상진
 ○ 소 속: 한국과학기술연구원 전북분원
          복합소재기술연구소 양자응용복합소재연구센터
 ○ 전 화: 063-219-8159
 ○ E-mail: d15510@kist.re.kr

2. 학력사항
○ 2010 성균관대학교 신소재공학부 학사
○ 2012 성균관대학교 SAINT 석사
○ 2015 서울대학교 화학부 박사

3. 주요경력사항 
○ 2015~현재 한국과학기술연구원 전북분원 박사 후 연구원

 

KIST 홍보팀 제공 

 

 

 

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