[서울경제 파퓰러사이언스 정승호 기자] 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. 여기에 기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강하지만 신축성 또한 매우 뛰어나 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다는 장점도 가지고 있다. 이러한 그래핀의 장점과 구리가 가지는 한계를 극복하고자 그래핀과 구리를 복합구조체로 형성시키는 연구를 수행했다.
1. 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 수행했다.
이후 식각 용액을 통해 촉매 금속을 제거한 후 분리 및 정제 공정을 거쳐 그래핀 섬유를 제조했다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 전해도금 공정을 통해 그래핀 섬유 표면에 증착되는 구리 금속의 두께를 제어했다. 약 500초 정도의 도금 공정을 통해 표면이 매끈한 전선 형태의 그래핀-금속 복합구조체를 제조할 수 있었다.
제조된 그래핀-금속 복합구조체 전선은 기계적 강도가 기존 구리전선에 비해 2배 이상 향상되었으며, 구리 전선에 흐를 수 있는 전류량도 10배 이상 향상이 가능함 확인했다. 이번 연구 결과로 고전류밀도가 필요한 전선 응용 이외에도 다양한 응용 분야에서 그래핀-금속 복합구조체가 활용될 수 있다는 자신감을 얻게 됐다.
2. 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 예측하고 있다.
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 전망했다.
■■ 용어
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.