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  • 기사등록 2022-11-09 16:16:22
  • 수정 2022-11-09 16:51:18
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▲ 한국전기연구원(KERI) 전기재료연구본부 연구팀



한국전기연구원이 우수한 그래핀 기술을 인정받아 국가 연구개발 우수성과에 최우수 기술로 선정되며 배터리 및 전장부품 등 활용이 기대되고 있다.


한국전기연구원(KERI, 원장 직무대행 김남균)은 전기재료연구본부의 ‘미래 모빌리티 배터리 및 전장부품용 금속·그래핀 복합전극 개발’ 성과가 ‘2022년 국가연구개발 우수성과 100선’에 이름을 올렸다고 9일 밝혔다.


이번 성과는 100선 중에서도 12개 성과만 뽑히는 최우수(기계·소재 부문)로 선정돼 그 가치를 더욱 인정받았다.


▲ 실리콘-그래핀 복합 음극재(왼쪽) 및 구리-그래핀 복합 잉크


차세대 E-모빌리티 분야에서 크게 주목받는 이번 성과는 크게 ‘리튬이온전지용 고용량 실리콘·그래핀 복합 음극재 기술’과 ‘전장부품용 저가형 구리·그래핀 복합 잉크 기술’로 구성된다.


‘고용량 실리콘·그래핀 복합 음극재 기술’은 친환경 전기차·선박·드론·로봇 등 핵심부품인 리튬이온전지의 차세대 음극 소재인 ‘실리콘(Si)’의 단점을 그래핀의 도입을 통해 보완, 상용 가능성을 크게 높였다.


실리콘은 기존의 흑연보다 에너지밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르지만, 충·방전 시 300% 수준의 부피팽창 문제와 전기 전도도가 낮다. KERI는 전도성이 우수하고, 전기 화학적으로도 안정된 ‘그래핀’을 실리콘과 복합해 리튬이온전지용 고용량 음극재를 제조했다.


이미 연구팀은 10여년 이상 연구로 높은 결정성과 전기 전도성의 고품질 그래핀 제조로 리튬이온전지 음극 제조 공정에 적용 가능한 ‘고농도 페이스트 형태의 그래핀 수(水)계 분산 기술’을 보유했다. 그리고 이 기술을 기반으로 ‘코어-쉘(Core-Shell, 코어인 실리콘을 그래핀이 껍데기처럼 감싸는 방식) 구조의 복합 음극재 대량 제조에 성공했다. 재료도 기존 고가의 나노 실리콘 대비 값싼 마이크론(μm) 크기의 실리콘을 활용, 가격 경쟁력을 확보했다.


전문가들은 실리콘·그래핀 복합 음극재 기술을 전기차에 적용 시, 배터리 성능을 높여 주행거리를 약 20% 이상 늘릴 수 있을 것으로 보고 있다. 또 기술력을 인정받아 지난해 전기·전자 소재·부품 전문기업인 ㈜HNS(대표 남동진)에 11억원의 금액에 기술 이전됐고, 현재 상용화 준비중이다.


‘저가형 구리·그래핀 복합 잉크 기술’은 전기가 통하는 잉크로, 각종 전기·전자기기의 부품 제조는 물론, 우리나라 소재·부품 산업 전 방위에 활용되는 필수 소재다. KERI 기술의 특징은 잉크 재료로 기존 은(Silver)의 1/10 가격 수준인 구리(Copper)를 이용했다는 것이다.


구리는 은보다 녹는점이 높고, 공기 중에 노출되면 표면에 산화막이 쉽게 형성되어 전기가 흐르지 않는다는 치명적인 문제가 있었는데, 연구팀은 세계 최초로 자체 개발한 ‘액상합성법’을 통해 구리 표면에 그래핀을 효과적으로 합성하여, 구리의 산화 방지는 물론, 잉크를 대량 생산할 수 있는 공정 기술을 확보했다.


구리·그래핀 복합 잉크 기술의 의의는 수입 대체다. 정밀 부품을 제조하기 위한 기존 고품질의 도전성 은 잉크는 일본 등 수입 의존도가 무려 95%에 달했다. 이번 개발기술로 수입대체 및 소재·부품 자립화 기반을 구축할 수 있다. 관련 기술 역시 금속소재 및 잉크 제조 전문기업인 대성금속(주)(대표이사 노윤구)에 5.5억원의 금액으로 기술이전 됐고, 양산화까지 진행돼 현재 디스플레이 및 모빌리티 전장 배선 제조에 구리·그래핀 잉크를 활용중이다.


연구 책임자인 KERI 이건웅 전기재료연구본부장은 “우리의 성과는 부가가치가 매우 큰 미래 모빌리티 분야에서 중요한 전기 신소재·부품의 기술 자립 실현은 물론, 품질과 신뢰성까지 확보하는 데 크게 기여할 것”이라고 전했다.


한편, 국가연구개발 우수성과 100선은 국가 발전을 견인해 온 과학기술의 역할에 대해 국민의 이해와 관심을 제고하고, 과학기술인들의 자긍심을 고취하고자 2006년부터 매년 진행됐다. 올해 선정된 성과는 과학기술정보통신부 장관의 인증서와 현판이 수여되고, 관련 규정에 따라 사업 및 기관 평가 등에서 가점을 받게 되며, 사례집으로도 발간된다.



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