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탄소나노 소재 고농도 분산기술 세계 최초 개발

인쇄전자, 고성능 나노복합체용 고전도성 탄소나노용액 제조 촉진

탄소나노 소재 고농도 분산기술 세계 최초 개발 - 다아라매거진 기술이슈
탄소나노튜브, 그래핀과 같은 탄소나노소재의 고전도성을 유지하면서 용매 내 고분산성 유지가 가능한 다중수소결합에 의한 탄소나노소재 분산 원리


차세대 전극재료로 각광받고 있는 탄소나노튜브‧그래핀을 분산제 없이 고농도로 분산시킬 수 있는 획기적 기술이 국내 연구진에 의해 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. 연구결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션’ 온라인판 10월 7일자에 게재됐다. (논문명 : Dispersant-free conducting pastes for flexible and printed nanocarbon electrodes)

한국전기연구원(KERI · 원장 김호용) 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 도입해야만 가능했다. 이 경우 탄소나노소재 자체의 높은 전도성이 손상되는 단점이 있어 이를 실용화하는데 걸림돌이 돼 왔다.

연구팀이 그 대안으로서 개발한 방법은 생체 물질인 단백질이나 DNA 나선구조에서 쉽게 찾아볼 수 있는 다중수소결합구조를 모방한 방법이다. 연구팀은 탄소나노소재의 손상을 최소화하고 4개의 수소결합이 동시에 이뤄질 수 있는 기능기를 도입, 탄소나노소재간 ‘반데르발스힘’(분자내 강한 인력)을 극복하게 함으로써 묽은 용액뿐만 아니라 고농도의 전도성 페이스트 제조가 가능토록 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 맞춰져 있었다. 탄소나노소재가 생체물질의 초분자구조와 만남으로써 기존의 응용에 대한 한계를 훌쩍 뛰어넘는 신개념의 원천기술이 된 사례라 할 수 있다.

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”이라며, “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 등 유연전극 응용 외에도 고함량 탄소나노소재를 함유하는 나노복합재료 등에 다각적으로 활용이 가능한 원천기술”이라고 설명했다.
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