차세대 전극재료로 각광받고 있는 탄소나노튜브•그래핀을 분산제 없이 고농도로 분산시킬 수 있는 획기적 기술이 국내 연구진에 의해 세계최초로 개발됐다.

탄소나노소재 실용화에 걸림돌이었던 분산 문제 해결을 통해 인쇄전자, 전도성 섬유, 전자파 차폐(EMI Shielding) 및 고성능 나노복합체 등 고전도성 나노 페이스트(Nano Paste)가 요구되는 다방면 분야에서 탄소나노소재를 쉽게 응용할 수 있게 됐다. 연구 결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션’ 온라인 판 7일자에 게재됐다.

한국전기연구원(KERI • 원장 김호용 www.keri.re.kr)의 이건웅•한중탁 박사팀은 최근 자체 정부출연금사업과 미래부 글로벌프론티어 나노기반소프트일렉트로닉스 사업단(단장 조길원 교수) 참여를 통해 인쇄전자뿐만 아니라 기존의 나노복합체 연구 등에 아주 쉽게 응용할 수 있는 고전도성 탄소나노소재 페이스트(paste) 기술을 세계 최초로 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

탄소나노튜브(CNT), 그래핀 등의 탄소나노소재는 그 전도성(전기를 옮기는 성질)이 매우 우수하여 기존 금속 및 세라믹 도전체를 대체할 수 있는 재료로 여겨져 왔다. 그러나 그동안 탄소나노소재를 고농도로 분산하기 위해서는 절연재료인 계면활성제를 사용하거나 표면에 기능기를 다수 도입하여야만 가능했다. 이럴 경우 탄소나노소재 자체의 높은 전도성이 손상되는 단점이 있어 이를 실용화하는데 큰 걸림돌이 되어왔다.
연구팀이 그 대안으로서 개발한 방법은 생체 물질인 단백질이나 DNA 나선구조에서 쉽게 찾아볼 수 있는 다중수소결합구조를 모방한 방법이다. 연구팀은 탄소나노소재의 손상을 최소화하고 4개의 수소결합이 동시에 이루어질 수 있는 기능기를 도입, 탄소나노소재간 ‘반데르발스힘’(분자내 강한 인력)을 극복하게 함으로써 묽은 용액뿐만 아니라 고농도의 전도성 페이스트 제조가 가능하게 했다. 다중수소결합구조로 인해 생체물질은 단분자에서 구현할 수 없는 다양한 생체기능을 수행하게 된다. 현재까지 이러한 다중수소결합에 의한 자기조립체 연구는 주로 유기 저분자물질의 자기조립에 의한 거대분자화 및 신기능화에 초점이 맞추어져 있었다. 탄소나노소재가 생체물질의 초분자구조와 만남으로써 기존의 응용에 대한 한계를 훌쩍 뛰어넘는 신개념의 원천기술이 된 사례라 할 수 있다.

주요 개발자인 한중탁 박사는 “이번에 개발된 고전도성 페이스트 제조기술은 기존에 분산의 어려움으로 탄소나노소재를 적용할 수 없었던 기술 분야에 적용이 가능하여 탄소나노소재의 제2의 붐을 일으킬 수 있는 획기적인 기술”이라고 강조하고, “또한 고전도성을 유지하고 다양한 이종소재와의 융합이 매우 용이하기 때문에 미래 유연기판에 적용이 가능한 인쇄용 전도성 페이스트, 고전도성 섬유제조용 페이스트, 미래형 신축전극, 에너지 소자용 인쇄전극, 에너지 저장소자용 전기화학적 촉매 등의 유연전극 응용뿐만 아니라 고함량의 탄소나노소재를 함유하는 나노복합재료 등에 다각적으로 활용이 가능한 원천기술”이라고 설명했다.

연구팀은 현재 원천특허와 응용특허를 국내외에 출원하고 기술이전을 준비하고 있다. 연구팀과 한국전기연구원은 올해 안으로 관련 기업체를 대상으로 기술설명회를 개최하고 기술이전 의향서 접수 후 대상자순으로 기술이전 및 사업화 방안에 대한 협의를 진행할 예정이다.

한편, 이번 연구결과는 세계 최고 과학전문지 ‘네이처’ 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 온라인판에 이달 7일 게재됐다. (논문명: Dispersant-free conducting pastes for flexible and printed nanocarbon electrodes)