기존의 비싼 은 잉크를 1/10 수준의 가격으로 대체할 수 있는 차세대 복합 잉크가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이번 기술 개발로 터치패널, 디스플레이 등 유연 인쇄전극 분야에서 안정적이면서도 가격경쟁력을 확보하는 신호탄이 될 전망이다.

한국전기연구원(KERI)는 꿈의 나노소재라고 불리는 ‘그래핀’을 구리에 합성해 가격은 낮추면서도 뛰어난 전기 전도성을 갖는 ‘구리-그래핀 복합 잉크’를 개발했다고 16일 밝혔다.

현재 시판되고 있는 전도성 잉크 소재 중에 가장 많이 사용되고 있는 소재는 귀금속계 계열인 ‘은’이다.

은은 전기 전도도가 높고 산화가 잘되지 않는다는 장점이 있지만 가격이 매우 높다. 이에 성능은 은과 유사하면서도 가격은 10배 저렴한 ‘구리’가 대체 소재로 주목을 받아 왔다.

하지만 구리는 은보다 녹는점이 높고 공기 중에 노출되면 표면에 쉽게 산화막이 형성되는 문제가 있어 상용화에 어려움을 겪어 왔다. 전극 제조 과정 중 고온에 노출되었을 때 구리 입자가 산화되는 단점도 있었다.

KERI 연구팀은 ‘그래핀’ 소재를 적용, 그동안의 한계를 극복하는데 성공했다.

그래핀은 화학적 안정성이 뛰어나고 전기전도도 및 열전도도가 우수해 금속 소재의 산화 방지막으로 활용이 가능한 나노 소재다.

연구팀은 같은 구리라도 나노 크기가 아닌 저렴한 마이크론 크기의 상용 구리 입자를 사용해 가격 경쟁력을 높였다. 또 구리 입자 표면에 수층의 그래핀을 용액 상에서 합성하는 ‘액상합성법’을 통해 대량 연속 공정의 기반을 구축했다.

연구팀 관계자는 “제조된 구리-그래핀 복합성 잉크의 결정성은 매우 우수해 6개월 이상 안정적으로 유지될 정도로 산화 방지에 효과적”이라며 “구리-그래핀 전극의 고온·내습 신뢰성 실험을 진행한 결과 섭씨 85도와 상대습도 85%의 환경에서 6개월 동안 전기 전도도 변화가 5% 미만일 정도로 뛰어난 기술력을 검증해냈다”고 말했다.

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

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

이건웅 KERI 나노융합기술연구센터 책임연구원은 “구리표면에 수층의 그래핀을 합성하기 위해 세계최초로 액상합성법을 적용했다”며 “많은 시행착오를 통해 구리-그래핀 표면형상을 제어하는 방법을 개발해 대량 연속공정 가능성을 확보한 것이 가장 큰 성과”라고 말했다.

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