“물에서 1년 넘게 안정한 그래핀 탄생” … KETI, 그래핀 활용 확대할 수분산 기술 개발 

- 고농도로 장기 보관 가능해져 … 

차세대 배터리 코팅에 그래핀 소재 적용 가능성 제시 -

□ 한국전자기술연구원(원장 노건기, 이하 KETI)이 물에서 뭉치거나 가라앉기 쉬운 그래핀 소재를 1년 이상 장기간 안정적으로 유지하는 ‘환원 그래핀 옥사이드(rGO)* 수분산 기술’을 개발했다고 밝혔다.

 *환원 그래핀 옥사이드(rGO : Reduced Graphene Oxide) : 그래핀옥사이드(GO)의 산소 성분을 제거해 전기전도성을 극대화한 나노 소재

□ ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀은 높은 전기전도성과 얇은 두께, 우수한 유연성으로 이차전지, 전자소자, 센서 및 기능성 코팅 등에 다양하게 활용될 소재로 주목받고 있다.

 하지만 실제로 활용하려면 소재를 물과 섞어야 하는데 이 과정에서 그래핀 시트끼리 뭉치는 그래핀 재적층(restacking) 및 응집 현상이 발생해 대량으로 농도를 높이거나 장기간 보관하는 데에 한계가 있었다.

□ KETI ICT나노융합연구센터는 이러한 문제를 해결하기 위해 카복시메틸셀룰로오스(CMC)*를 활용한 그래핀 계면 안정화 기술을 개발하고, 해당 기술을 통해 10mg/mL 이상의 고농도 그래핀 수분산액을 구현했다.

 * CMC(Carboxymethyl cellulose) : 다수의 수산기 및 카복실기를 포함하는 수용성 고분자로, 분산제 및 바인더 등으로 활용되는 소재

□ 연구팀이 제조한 그래핀 수분산액은 1년 이상이 지난 후에도 상태가 변형되거나 응집되는 현상 없이 안정한 분산 상태를 유지했다. 

 또한, 농도 및 점도 조절을 통해 습식방사, 블레이드 코팅*, 스프레이 코팅* 등 다양한 제조 공정에 직접 적용될 수 있는 높은 공정성을 확보했다.

 * 블레이드 코팅 : 액체 소재를 기판 위에 일정한 두께로 밀어 펴 얇은 막을 만드는 공정

 * 스프레이 코팅 : 액체 소재를 미세한 방울로 분사해 기판 표면에 얇은 막을 생성하는 공정

ㅇ 특히, 해당 수분산액은 전기차 배터리의 핵심 재료인 리튬이온전지용 실리콘 음극재의 표면을 코팅한 채 100회의 충·방전 시험 후에도 약 69%의 용량을 유지하며 우수한 수명 특성을 보였다.

□ 신권우 KETI ICT나노융합연구센터장은 “그동안 그래핀 소재는 뛰어난 성질에도 불구하고 응집 문제로 대량으로 활용하기 어려웠다”라며, “이번 기술은 그래핀을 액체 형태로 오랫동안 안정하게 보관하고 다양한 코팅 소재로 쓰일 수 있게 만든 성과로, 차세대 이차전지 등 첨단 산업에의 그래핀 소재 활용 시점을 크게 앞당길 것”이라고 밝혔다.

□ 본 연구 성과는 에너지 소재 분야 국제 저명 학술지인 ‘ACS Applied Energy Materials’에 게재됐다.*

 * 논문명 : Restacking Inhibited Ultra-Highly Stable Reduced Graphene Oxide Solution for Lithium-Ion Batteries