KETI, 그래핀 활용 확대할 수분산 기술 개발…고농도로 장기 보관 가능

차세대 배터리 코팅에 그래핀 소재 적용 가능성 제시

고농도 그래핀 수분산액 제조 관련 사진.ⓒ한국전자기술연구원(KETI)

한국전자기술연구원(KETI)은 물에서 뭉치거나 가라앉기 쉬운 그래핀 소재를 1년 이상 장기간 안정적으로 유지하는 '환원 그래핀 옥사이드(rGO) 수분산 기술'을 개발했다고 17일 밝혔다.

rGO는 그래핀옥사이드(GO)의 산소 성분을 제거해 전기전도성을 극대화한 나노 소재다.

'꿈의 신소재'로 불리는 그래핀은 높은 전기전도성과 얇은 두께, 우수한 유연성으로 이차전지, 전자소자, 센서와 기능성 코팅 등에 다양하게 활용될 소재로 주목받고 있다.

하지만 실제로 활용하려면 소재를 물과 섞어야 하는데 이 과정에서 그래핀 시트끼리 뭉치는 그래핀 재적층(restacking)과 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 10㎎/㎖ 이상의 고농도 그래핀 수분산액을 구현했다.

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

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

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"며 "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.

한편 이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 국제 저명 학술지인 'ACS Applied Energy Materials'에 게재됐다.