국민대(총장 정승렬) 홍승현 교수와 성균관대 이재현 교수, 한국과학기술연구원(이하 KIST, 원장 오상록) 황준연 박사, 한양대 홍진표 교수 공동연구팀이 초음파 합성법을 통해 상온·대기 분위기에서 대면적 그래핀을 성장시키는 데 성공했다. 이번 연구는 그래핀 상용화에 가장 큰 걸림돌인 생산비용과 공정시간을 획기적으로 낮추고, 수계 아연 이차전지에 적용되어 차세대 이차전지 소재로의 가능성을 보였다.

인류가 개발한 소재 중에서 가장 얇은 것은 그래핀이다. 그래핀은 머리카락 굵기의 10만 분의 1수준으로 얇으면서도 탁월한 기계적 강도와 전기전도도를 자랑한다. 이 때문에, 그래핀은 ‘꿈의 신소재’로 불리며 산업계에서 주목하는 소재다.

그러나 그래핀을 합성 과정에서 고가의 설비가 필요하고 생산성이 낮아 상용화에 어려움을 겪고 있다. 또 1000°C 이상의 고온이 요구되어 낮은 온도에서 녹는 금속인 리튬(녹는점: 180°C)이나 주석(녹는점: 232°C), 아연(녹는점: 420°C) 등에는 그래핀 합성이 제한되어 왔다.

(좌) 초음파 그래핀 합성법의 개략도   (우) 초음파 그래핀 합성법의 합성원리

연구팀은 고에너지 초음파 발생장치로 재료의 국소 표면에 순간적으로 극한의 고온(5000°C 이상)과 고압(1000기압 이상)을 발생시키는 ‘공동현상(cavitation)’을 유도해, 저융점 금속인 아연 위에 그래핀을 성장시켰다. 이 새로운 합성법을 통하면 상온·대기 분위기에서 아주 빠른 속도로 대면적의 그래핀 합성이 가능하다. 

이어, 재생에너지 발전소용 에너지 저장 시스템(ESS)으로 주목받고 있는 수계 아연 이차전지용 아연 음극의 코팅재로 초음파로 성장한 그래핀이 활용되어, 핵심 과제인 아연 음극의 아연 수지상 성장과 부식 문제를 해결했다.

또한 연구팀은 차세대 리튬 이차전지 소재인 리튬 음극에도 본 기술을 적용할 계획이다.

해당 연구는 ‘Direct Growth of Leopard‐Patterned Graphene on Zinc Anodes via Sonochemistry for High‐Performance Aqueous Zinc‐Ion Batteries’라는 제목으로 에너지·소재·화학 분야 국제 저명 학술지인 ‘Carbon Energy (IF=24.2, JCR 상위 3%)’에 2025년 10월 게재됐다.