전자기기의 배선 및 회로, 전극으로 사용되고 있는 기존의 비싼 은(Ag) 잉크와 성능은 대등하면서 가격은 10분의 1 수준으로 대체할 수 있는 차세대 복합잉크가 개발됐다. 터치패널, 디스플레이 등 유연 인쇄전극 분야에서 안정적이면서도 가격경쟁력 확보가 기대되고 있다.

한국전기연구원(KERI, 원장 최규하)은 나노융합기술연구센터(책임자 이건웅 책임연구원, 정희진 책임연구원)가 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 중 가장 많이 사용되고 있는 소재는 귀금속계 계열인 은이다. 은은 전기 전도도가 높고 산화가 잘되지 않는다는 장점이 있지만 가격이 매우 높다. 이에 성능은 은과 유사하면서도 가격은 10배 저렴한 구리(Cu)가 대체 소재로 주목을 받아 왔다.

하지만 구리는 은보다 녹는점이 높고 공기 중에 노출되면 표면에 쉽게 산화막이 형성되는 문제가 있다. 전극 제조 과정 중 고온에 노출되었을 때 구리 입자가 산화되는 단점도 있었다. 이로 인해 산화막이 형성된 구리는 전기가 흐르지 않기 때문에 이를 방지할 수 있는 완벽한 기술 개발이 요구됐지만 그동안 국내외 연구진의 다양한 노력에도 불구하고 이를 해결하지 못했다.

연구팀은 이에 화학적 안정성이 뛰어나고 전기전도도 및 열전도도가 우수해 금속 소재의 산화 방지막으로 활용이 가능한 나노 소재인 ‘그래핀’을 주목했다. 연구팀은 같은 구리라도 나노 크기가 아닌 더욱 값싼 마이크론 크기의 상용 구리 입자를 사용해 가격 경쟁력을 높였고, 구리 입자 표면에 수층의 그래핀을 용액상에서 합성하는 ‘액상합성법’을 통해 대량 연속 공정의 기반을 구축했다.

제조된 구리-그래핀 복합성 잉크의 결정성은 매우 우수해 6개월 이상 안정적으로 유지될 정도로 산화 방지에 효과적이란 것이 확인됐다.

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.

정희진 책임연구원은 “이번 성과는 구리잉크의 산화에 의한 전기적 불안정성을 그래핀의 복합화를 통해 해결한 것”이라며 “더욱 저렴한 상용 구리 입자를 사용하고 양산성도 우수해 가격 경쟁력이 매우 높다”고 전했다.

연구팀은 개발된 성과가 향후 전자파차폐(EMI) 필름, 태양전지, 무선인식(RFID) 안테나, 연성인쇄 회로기판(flexible PCB) 및 웨어러블 신축 전극 등의 소재로 활용될 것으로 기대하고 있다. 현재 해당 성과에 대한 원천특허 출원 및 양산준비 가능성을 검증하고 상업화를 위한 기술이전 수요 업체를 탐색하고 있다. 이명용 기자