최근 자율주행차･전기자동차의 시장 확대에 따라 하네스 케이블(차량용 배선) 사용이 증가하고 있다. 덩달아 전선의 경량화와 자동차 연비 향상의 필요성이 높아지고 있다. 또 전력발전소로부터 일반 가정까지 연결되는 전력전송 케이블의 경우 가벼우면서 질긴 소재의 필요성이 늘고 있다. 이런 가운데 최근 국내 연구진이 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀을 이용해 고성능, 고효율, 경량의 신개념 케이블 개발에 성공했다.

22일 과학기술계에 따르면, 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사팀은 서울대 자연과학대 화학부 및 차세대융합기술연구원 홍병희 교수팀, 서울대 창업 기업인 벤처기업 그래핀스퀘어(주)와 공동연구를 통해 초고강도･고성능 전선을 제조할 수 있는 원천기술을 개발했다.

KIST-서울대 공동연구팀은 먼저 화학증기증착법(CVD, chemical vapor deposition)으로 그래핀 섬유를 합성한 뒤 이 표면에 얇은 구리 막을 입혀 전선 형태의 그래핀-금속 복합구조체를 만들었다. 그래핀 섬유에 구리 막을 입히는 데는 정기분해 원리라는 아주 간단한 방법을 이용했다. 화학증기증착법이란 질소･산소 분자 등의 화학반응을 이용해 반도체, 금속화합물을 합성하는 기술이다.

결국 그래핀의 특성과 구리전선의 장점을 융합함으로써 고출력 전력전송과 경량화라는 두 마리 토끼를 잡은 셈이다. KIST 배수강 박사는 "고성능의 그래핀-금속 복합구조체 전선을 위해서는 고품질의 다층 그래핀을 합성하는 기술이 매우 중요하다"고 말했다.

그래핀은 강철보다 더 강하면서도 유연하고 전기를 잘 통하는 등의 뛰어난 특성으로 인해 '꿈의 신소재'로 불린다. '흑연은 탄소원자가 벌집처럼 육각형 그물 모양으로 배열된 평면들이 층층이 쌓인 구조인데, 이 흑연의 한 층이 그래핀이다. 0.2nm 두께로 물리·화학적 안정성이 매우 높다. 전기전도성이 구리의 100배, 전자이동성이 실리콘의 100배 이상이다. 또 강철보다 200배 이상 강하면서도 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다. 이 같은 특성으로 휘거나 투명한 디스플레이, 웨어러블 소재로 알맞다.'(네이버 지식백과) 

연구팀이 그래핀-금속 복합구조체 전선의 성능을 평가한 결과 기존 구리전선보다 2배 이상의 기계적 강도와 10배 이상의 최대 허용 전류량을 보였다.

이번의 그래핀-구리금속 복합전선 개발은 기계적인 특성과 전기적 특성을 모두 획기적으로 개선한 새로운 개념의 케이블 전선 기술을 제시했다는 점에서 의미가 적지않다. 그래핀-금속 복합구조체 전선은 고효율 전력전송선 뿐 아니라 핵심 자동차부품인 하네스 케이블(차량용 배선)과 고성능 전기모터의 고성능화, 경량화에도 활용이 가능하다. 또 항공우주 및 웨어러블 분야에도 다양한 응용이 가능할 것으로 보인다.

서울대 홍병희 교수는 "최근 구글로부터 그래핀을 이용한 전력전송선 개발에 대해 문의 받은 적이 있다"며 "향후 그래핀-구리 복합전선을 상용화한다면 180조에 이르는 세계 케이블 전선시장에 지각변동을 불러올 것"이라고 전망했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부의 지원으로 진행됐다. 연구 성과를 담은 논문(논문명: ‘Ultrastrong Grpahene-Copper Core-Shell Wires for High-Performance Electrical Cables)은 나노재료 분야 국제저널 'ACS Nano' 최신호에 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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