美듀크대 연구팀과 공동연구성과…저명 국제학술지 잇단 게재

미래부 산하 정부출연연구기관 한국전기연구원(KERI·원장 김호용 www.keri.re.kr) 미래전략실 하윤철 박사가 최근 ‘이달의 KERI인상’ 수상자로 선정됐다.  

하윤철 박사는 산업기술연구회(현, 국가과학기술연구회) 주관의 ‘첨단 기술정보 해외 협력사업(일명 SLP 사업, 2012.2~2014.2)의 일환으로 참여한 국제공동연구활동을 통해 최근 6개월간 세계적 저명 학술지에 4건의 논문으로 게재하는 등 우수한 성과를 거둔 점을 인정받았다.

사진 1. Nano Letters(좌) 및 Small 논문 게재

사진 2. LED를 밝히는 구리 나노선 투명전극

하 박사는 SLP 사업의 공동연구기관인 미국 듀크대학교의 ‘구리 나노선 투명전극 기술’을 에너지 분야에 적용하는 연구를 수행하던 중 전기에너지를 이용해 물을 화학연료인 수소로 변환할 수 있는 고효율 백금-구리 투명전극을 개발했다. 그 과정에서 구리 나노선의 성장이 전기화학적 반응 메커니즘에 의한 것이라는 가설을 제안하고 이를 증명할 수 있는 실험방법을 제시함으로써 구리 나노선 성장의 원리를 세계 최초로 규명했다.
또한 이러한 나노선 성장 메커니즘을 응용하여 나노선의 길이를 마음대로 제어하거나, 길이를 최대로 만드는 새로운 공정을 개발, 차세대 유연 투명전극용 나노선 기술의 혁신에 기여한 점을 높이 평가받았다.
한편, ‘이달의 KER인상’은 한국전기연구원(이하 'KERI')의 연구개발 및 시험인증 등 분야에서 탁월한 성과를 보인 연구자 등에게 주어지는 상이다.

고효율 백금-구리 투명전극 기술은 무엇인가?

Q. 상기 기술의 연구 배경은?

A. 한국전기연구원의 창의원천연구본부는 나노기술을 적용한 전기소재 및 부품기술을 연구하는 부서로, 특히 투명하고 휘어지면서 전기가 잘 흐르는 유연투명전극, 차세대 이차전지와 슈퍼커패시터, 열전소자, 압전소자용 에너지저장/변환 나노소재, 원통형 나노금형 등 나노공정기술을 중점적으로 연구하고 있습니다. 저는 2012년 2월에 산업기술연구회(현, 국가과학기술연구회)의 첨단기술정보 해외 협력사업의 일환으로 2년간 나노기술의 동향 조사와 국제 공동연구를 위해 미국 듀크대학교에 파견 근무를 하게 됐습니다. 듀크대에서는 머리카락 굵기의 1천분의 1보다 가는 수십 나노미터 굵기의 구리 나노선을 합성하는 기술과 이 재료를 유연투명전극으로 제조하는 공정 기술을 연구하고 있었고, 저는 이 전극을 에너지 저장과 변환 분야에 응용하는 연구를 진행해 왔습니다.

Q. 상기 기술 연구 내용은?
A. 일반적으로 전기분해에 쓰이는 수소전극은 투명하거나 휘어질 필요가 없지만, 전기를 대신해서 햇빛을 이용하는 광전기화학 촉매의 경우 유연투명전극의 특성이 요구됩니다. 특히 유연태양전지로 각광받고 있는 염료감응형 태양전지(DSSC) 등과 결합할 수 있는 고효율 유연투명 촉매전극은 현재까지 개발되지 못했습니다. 구리-백금 코어-쉘 나노선 투명 촉매 전극 기술은 구리 나노선 투명전극을 백금이 녹아 있는 물에 담그고 전기화학적으로 백금을 10나노미터 두께로 고르게 도금하는 공정으로 제조되는데, 이를 통해 유연성, 투명성이 유지될 뿐만 아니라 물분해 촉매 성능이 일반적으로 사용되는 백금 나노입자가 분산된 탄소전극보다 8배나 우수하다는 것을 비교실험으로 확인한 것입니다.

Q.기대되는 효과와 성과의 의미가 있다면?
A. 이러한 전극은 광전기화학 장치, 연료전지, 염료감응 태양전지 등에 가장 많이 사용되는 고가의 백금 전극을 대체할 수 있습니다. 또한 구리 나노선을 두껍게 필터로 제조하고 그 표면을 백금으로 개질하면 유해 기체나 화학반응용 촉매전극으로도 활용할 수 있습니다. 백금뿐만 아니라 다양한 기능성 재료를 구리 표면에 고르게 도포하는 기술은 전기도금을 포함하여 오랫동안 연구되고 상용 공정도 알려져 있으므로 향후 전기전자/에너지 산업과 더불어 타 산업 영역에까지 이러한 소재기술의 파급효과는 매우 클 것으로 기대됩니다. 

Q.용도와 실용화 시기는?
A. 유연투명전극으로는 탄소나노튜브, 그래핀, 은 나노선 등이 상업적으로 활용되고 있습니다. 다만, 응용 분야에 따라서 탄소 재료는 습식 에칭 공정이 적용될 수 없어 다양한 전극 패턴 형성에 어렵고, 은 나노선은 재료 자체가 고가인 한계가 있습니다. 국내 대기업에서는 미국 Cambrios사에서 생산하는 은 나노선 페이스트를 이용하여 투명전도성 필름의 시제품을 생산하고 있고, 일부 국내 중소기업에서도 탄소 또는 은 나노선 투명필름을 양산 중에 있습니다. 구리 나노선의 경우 미국의 듀크대 연구진이 창업을 통해 대량 생산하는 데까지 성공했으나, 투명전극에서 요구되는 내산화 특성이 취약하여 그 자체로는 투명전극으로 활용되기 어렵습니다. 이를 해결하기 위해 미국의 EMD Millipore사와 듀크대가 공동으로 내구성이 향상된 표면처리된 전극을 개발 중에 있습니다. 구리 나노선은 습식 에칭이 용이할 뿐만 아니라 값싸고 표면처리가 용이하여 수년 내에 상용 공정이 개발될 것으로 전망됩니다. 한국에서는 아직까지 구리 나노선 기술에 대한 투자가 이루어지고 있지 않는 실정입니다.

Q.상기 기술과 관련한 향후 계획?
A. 투명도가 요구되는 응용분야에서는 표면개질된 전도성 투명전극을 위한 상용화 가능한 공정 개발에 박차를 가해야 하며, 투명도가 필요 없는 응용분야에서는 전극의 두께 조절과 표면개질을 통해 기능성 유연전극으로 연구개발을 확장할 필요가 있습니다. 일차적으로는 산업적 수요가 가장 큰 유연투명전극으로 활용될 수 있으므로 표면처리 공정을 통해 내산화 특성을 향상시키는 산학연 융합연구를 추진할 예정입니다. 또한 고전도성 유연전극의 특징만으로도 리튬이차전지, 촉매전극 등 에너지 저장/변환용 전극으로도 활용이 가능하므로 이를 위한 추가 연구개발을 진행하고 있습니다.