‘금속나노선 투명전극 기술’ 공동연구 성과

[산업일보]
한미 양국 연구팀간의 공동연구 결과물 쏟아지면서 국제 저명 학술지 까지 소개되는 등 공동 연구개발물이 소기의 성과를 거두고 있는 것으로 나타났다.

미래창조과학부 산하 전기전문연구기관 한국전기연구원(원장 김호용) 하윤철 박사는 지난 2012년 2월 당시 지식경제부 산하 출연(연)을 관할하던 산업기술연구회(현 국가과학기술연구회)의 첨단기술정보 해외협력사업이라는 국제협력 프로그램의 일환으로 2년간의 미국 파견길에 올랐다. 미국 듀크대학교에서 ‘금속나노선 투명전극 기술’과 ‘전기폭발 나노분말 제조기술’을 공동연구하기 위해서다.

금속나노선 투명전극 기술은 머리카락을 2천분의 1로 줄인 50나노미터(nm) 굵기의 금속나노선을 투명한 필름 위에 얇게 입혀 전기가 흐르는 투명한 필름을 만드는 기술이다. 또 전기폭발 나노분말 제조기술은 휴대폰 충전전류의 1만 배가 넘는 수십 킬로암페어(kA)의 전류를 눈 깜짝하는 시간보다 짧은 1천분의 1초 이내에 샤프심처럼 생긴 금속와이어에 흘려 100나노미터(nm) 이하의 나노입자로 대량 생산하는 기술이다.



재료전기화학을 전공한 하윤철 박사는 당시 한국전기연구원(KERI)의 강점분야인 고전압·대전류·펄스전원 등과 융합할 수 있는 재료기술에 큰 관심을 갖고 있었다. 이러한 관심으로 하 박사는 지난 2011년 전기폭발 기술을 다년간 연구해 온 KERI 조주현 박사팀과 리튬이차전지용 나노실리콘을 대량생산하는 원천기술인 ‘실리콘 액중전기폭발 기술’을 개발해 한국과 미국, 일본, 중국에 특허를 출원한 바 있다. 하 박사는 또한 탄소나노튜브와 그래핀을 이용하는 투명전극 기술 분야에서 국내 최고의 상업적 성과를 일궈낸 KERI 나노카본 투명전극 연구팀의 휘어지는 투명전극 기술에도 깊은 관심을 가지고 있었다.

이들 주제들에 대해 하 박사는 미국측 공동 연구팀으로 듀크대학교 화학과의 벤자민 와일리 교수팀을 선택했다. 와일리 교수팀 또한 자신의 지도교수였던 유난 시아 교수(현 조지아 공대 교수)의 나노큐브 및 나노선 용액 합성기술을 상업적으로 응용하기 위해 구리 나노선 투명전극 기술을 독자적으로 개척해 가는 한편, 나노입자를 대량으로 제조하는 액중 전기폭발 기술도 KERI의 논문을 통해 독자적으로 연구해 가고 있던 상황이었다.

이러한 상호간 공통 관심을 토대로 진행된 한미 양국 연구팀간의 공동연구 결과물이 하 박사가 2년간의 파견기간을 마친 최근에 쏟아져 나오고 있어 눈길을 끈다.

우선 지난 3월 나노선의 굵기(수십 나노미터) 대비 최대 5,700배의 길이를 갖는 구리 나노선 합성기술을 통해 구리 나노선 투명전극 기술을 진일보시킨 연구성과가 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 세계적인 저널 케미컬 커뮤니케이션즈(Chemical Communications)의 표지논문으로 출판됐다.

이어 지난 4월에는 구리나노선에 백금을 코팅시킨 코어-쉘 나노선( core-shell nanowire)으로 만든 투명전극으로 물분해 수소발생 기술을 획기적으로 개선시킨 연구성과가 에너지 환경분야의 최고 권위지인 에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science)에 게재됐다.

5월에는 구리나노선의 길이를 자유자재로 제어할 수 있는 기술이 나노기술분야의 국제학술지 스몰(Small)의 권두삽화 논문(frontispiece)으로 게재됐다.

7월에는 구리 나노선의 성장 메커니즘을 규명한 연구결과가 미국화학회의 나노분야 세계적인 저널인 나노 레터스(Nano Letters)의 온라인판으로 출판됐으며, 액중전기폭발 나노입자 제조기술을 이용한 전극용 구리합금 나노페이스트 관련 연구결과도 논문초고 작성을 마치고 보완 실험이 진행 중에 있다.

하윤철 박사는 “이러한 연구결과들은 결코 한 분야의 연구팀만으로는 달성하기 어렵고 단순 협동연구 수준이 아닌 학제간 또는 기술분야간 융합연구를 통해서만 가능하다는 측면에서, 최근 미래창조과학부의 출연연간 융합연구 강화 정책은 매우 긍정적”이라고 밝혔다.

하 박사는 융합의 범위를 보다 확장해 나갈 계획이다. 양자계산 분야 국내 전문가와의 공동연구를 통해 나노선 성장의 비밀을 한층 깊이 파헤친다는 계획이다. 아울러 값비싼 은 나노선을 저가의 구리 나노선으로 대체하는 차세대 투명전극 기술과 상용 리튬이온전지를 대체할 수 있는 차세대 이차전지용 코어-쉘 나노선 소재 기술 개발을 추진하고 있다. 이를 위해 하 박사는 KERI와 듀크대학교, 국내 대학 및 관련분야 산업체를 아우르는 글로벌 융합연구를 기획 중이다.

한편, 하윤철 박사는 귀국 후 KERI 미래전략실로 파견돼 기관의 미래기술 기획을 담당하고 있다.

1976년 전기기기시험연구소라는 이름으로 처음 설립된 한국전기연구원(KERI)은 미래창조과학부 산하 전기전문 정부출연연구기관이다. 경남 창원에 본원을, 경기도 안산과 의왕에 2개의 분원을, 밀양과 양산에 2개의 연구센터를 두고 있다. 창조경제 실현을 위한 연구 성과의 기술이전 실적에서 이공계 정부출연연구소 가운데 2위를 차지하는 등 과학기술계 대표 출연연구기관으로 자리매김하고 있다.
연구개발 부문에선 차세대전력망 및 신재생에너지, 초고압직류송전(HVDC), 전기추진, 나노신소재 및 배터리, 전자의료기기 등을 중심 연구분야로 하고 있다. 이를 통해 △전력선통신시스템 △발전소계측제어시스템 △초고압 차단기 및 개폐기 △전력변환장치 △고효율/고속 전동기 △고온초전도 기기 및 케이블 △리튬이차전지 △전력용 반도체 △그래핀 등 탄소나노 신소재 △의료영상진단기기 △펨토초 레이저 등에 이르기까지 기초원천기술과 첨단융합기술을 아우르는 다양한 연구개발 성과로 국가 경제발전과 국민의 삶의 질 향상에 기여해오고 있다.