경북대 민유호·박귀일 교수팀·국방연 정경진 박사팀 공동 연구
가격 부담↓ 기존 산화 문제 개선 두 마리 토끼 잡아
국제학술지 Chemical Engineering Journal 게재
경북대학교와 국방과학연구소 공동연구팀이 기존 은(Ag) 전극보다 가격 부담은 낮추면서도 산화 문제를 개선한 구리·은(Cu@Ag) 기반 전도성 잉크를 개발해 눈길을 끌고 있다. 연구팀은 이를 활용해 유연 에너지 저장 커패시터용 인쇄 전극 구현에도 성공하며 차세대 웨어러블 전자기기와 에너지 저장장치 분야 적용 가능성을 제시했다.
경북대 금속재료공학과 민유호·박귀일 교수팀은 국방과학연구소 정경진 박사팀과 공동으로 저비용 구리(Cu) 플레이크 표면에 약 20나노미터(nm) 두께의 은(Ag) 층을 균일하게 형성한 '구리-은(Cu@Ag) 코어-쉘 플레이크 기반 전도성 잉크'를 개발했다고 4일 밝혔다.
최근 웨어러블 기기와 유연 전자소자 시장이 확대되면서 높은 전기전도도와 기계적 유연성, 열안정성을 동시에 갖춘 인쇄형 전극 소재 수요가 증가하고 있다. 기존 은 기반 전극은 성능은 우수하지만 가격이 비싸고, 구리 기반 전극은 경제성이 높지만 공기 중 산화가 쉬워 장기 안정성 확보에 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 구리 플레이크 표면을 얇은 은층으로 감싸는 코어-쉘 구조를 설계했다. 특히 착화 반응을 활용해 은 이온의 환원 및 성장 과정을 정밀하게 제어함으로써 구리 표면 전체를 균일하게 보호하는 은 쉘 형성에 성공해 구리의 경제성과 은의 산화 안정성을 동시에 확보했다.
개발된 전도성 잉크는 인쇄 공정에 적합한 분산성과 코팅 특성을 보였으며, 이를 이용해 제작한 인쇄 전극은 약 15마이크로미터(μm) 두께에서도 낮은 전기저항을 유지해 우수한 전도성을 나타냈다.
또한 150℃와 200℃의 고온 환경에서도 전도성이 안정적으로 유지됐으며, 한 달간 보관한 잉크 역시 초기 수준의 성능을 유지해 저장 안정성도 확인됐다.
연구팀은 해당 전극을 실제 유연 에너지 저장 커패시터에 적용해 성능을 검증했다. 제작된 소자는 반복적인 충·방전 과정에서도 안정적인 에너지 저장 특성을 유지했으며, 굽힘 테스트에서도 전도 경로와 소자 성능이 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.
민유호 경북대 교수는 "이번에 개발한 전도성 잉크는 전도성, 열안정성, 인쇄성, 저장 안정성을 동시에 확보한 소재"라며 "웨어러블 전자기기와 유연 에너지 저장소자용 전극 소재로 활용 가능성이 클 것으로 기대한다"고 말했다.
한편, 이번 연구는 국방과학연구소 지원을 받아 수행됐으며, 경북대 금속재료공학과 김석환 석사졸업생과 이금성 학부생이 제1저자로 참여했다. 연구 성과는 화학공학·소재 분야 국제학술지인 Chemical Engineering Journal(IF 13.2, JCR 상위 3%) 지난달 13일자 온라인판에 게재됐다.
