그래핀 기반 초고강도·고성능 케이블 개발

최근 자율주행 및 전기자동차 시장 확대와 함께 자동차용 하네스 케이블 사용이 증가함에 따라, 전선의 경량화와 자동차 연비향상의 필요성이 대두되고 있다. 뿐만 아니라 전력발전소로부터 일반 가정까지 연결되는 수많은 전력전송 케이블도 가볍고 기계적 강도가 큰 전선 소재의 사용이 필수적이다. 

최근 국내 연구진이 탁월한 전기적 특성으로 ‘꿈의 소재’라고 불리는 2차원 나노소재인 그래핀(Graphene)을 이용해 고성능, 고효율, 경량화된 새로운 개념의 케이블을 개발하는데 성공했다.

그래핀은 강철보다 100배 강하면서 유연한 뛰어난 물리적 특성으로 차세대 소재로, 연필심에 사용되어 우리에게 친숙한 흑연은 탄소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 층으로 쌓여 있는 구조다. 이 흑연의 한 층을 그래핀(Graphene)이라 부른다. 그래핀은 0.2㎚의 두께로 물리적, 화학적 안정성이 매우 높다. 2004년 영국의 가임(Andre Geim)과 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 연구팀이 상온에서 투명테이프를 이용하여 흑연에서 그래핀을 떼어 내는 데 성공하였고, 그 공로로 이들은 2010년 노벨 물리학상을 받았다.

그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또한, 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명하며 신축성도 매우 뛰어나다.

이러한 그래핀의 활용 분야는 매우 다양하다. 높은 전기적 특성을 활용한 초고속 반도체, 투명 전극을 활용한 휘는 디스플레이, 디스플레이만으로 작동하는 컴퓨터, 높은 전도도를 이용한 고효율 태양전지 등이 있는데, 특히 구부릴 수 있는 디스플레이, 손목에 차는 컴퓨터나 전자 종이를 만들 수 있어서 미래의 신소재로 주목받고 있다.

▲그래핀 섬유 및 그래핀-구리 복합구조체 전선 제조 모식도. (상단) 그래핀을 고온에서 합성하고 선 패턴화 통해 그래핀 섬유를 제조하는 공정. (하단) 전해도금을 통해 그래핀 섬유의 표면에 구리를 증착하는 공정

한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사팀은 서울대학교 자연과학대학 화학부 및 차세대융합기술연구원 홍병희 교수팀, 서울대 창업 기업인 벤처기업 그래핀스퀘어(대표 채윤)와 함께 공동연구를 통해 복합화해 초고강도· 고성능 전선을 제조할 수 있는 원천기술을 개발했다고 밝혔다. 

이번 연구결과는 나노재료 분야의 권위지인 ACS Nano(IF: 13.942, JCR 상위 3.27%) 최신호에 논문명 <Ultrastrong Grpahene-Copper Core-Shell Wires for High-Performance Electrical Cables>으로 게재됐다.

KIST-서울대 공동연구팀은 화학증기증착법(chemical vapor deposition, CVD)을 활용하여 그래핀 섬유를 먼저 합성한 후 이를 전기분해의 원리를 이용하여 그래핀 섬유의 표면에 얇은 구리 막을 입히는 간단한 방법을 통해 전선 형태의 그래핀-금속 복합구조체를 제조했다. 이렇게 제조된 그래핀-금속 복합구조체 전선을 통해 기존 구리전선 대비 2배 이상의 기계적 강도와 10배 이상의 최대 허용 전류량을 확보했다. 개발된 전선은 고효율 전력전송선뿐 아니라 핵심 자동차부품인 하네스 케이블(차량용 배선)과 고성능전기모터의 고성능화‧경량화에도 활용이 가능하다.

▲그래핀-구리 복합구조체 전선의 기계적 특성 및 전자현미경 이미지. (좌상) 그래핀 섬유의 구부림 정도에 따른 전기적 특성이 크게 변하지 않음. (좌하) 복합체의 최대인장강도 측정 결과, 기존 섬유의 결과에 비해 우수함을 확인 가능. (우) 그래핀-구리 섬유의 절단면 관찰

이번 연구진이 개발한 그래핀-구리금속 복합전선 개발은 기계적인 특성과 전기적 특성을 모두 획기적으로 개선한 새로운 개념의 케이블 전선 기술을 제시하였다는 측면에서 큰 의의가 있으며, 향후 항공우주 및 웨어러블 분야에도 다양한 응용이 가능할 것으로 기대된다.

KIST 배수강 박사는 “고성능의 그래핀-금속 복합구조체 전선을 위해서는 고품질의 다층 그래핀을 합성하는 기술이 매우 중요하다”며, “꿈의 신소재인 그래핀의 특성과 구리전선의 장점을 융합함으로써 고출력 전력전송과 경량화라는 두 마리 토끼를 잡은 것”이라고 밝혔다.
 
서울대 홍병희 교수는 “최근 구글로부터 그래핀을 이용한 전력전송선 개발에 대해 문의 받은 경험이 있다.”라며, “향후, 그래핀-구리 복합전선을 상용화한다면 180조에 이르는 세계 케이블 전선시장에 지각변동을 불러올 것”이라고 설명했다.

 
[김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]