국민대학교(총장 정승렬) 전자화학재료전공 홍승현 교수와 성균관대학교 이재현 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 황준연 박사, 한양대학교 홍진표 교수 공동연구팀이 초음파 합성법을 통해 실내 온도와 일반 공기 조건에서 대면적 그래핀을 성장시키는 데 성공했다. 이번 성과로 그래핀 상용화의 가장 큰 걸림돌인 생산비용과 공정시간 문제를 획기적으로 완화했으며, 수계 아연 이차전지에 적용해 차세대 이차전지 소재로의 가능성을 제시했다.

그래핀은 머리카락 굵기의 약 10만 분의 1 수준으로 얇지만 탁월한 기계적 강도와 전기전도도를 지닌 ‘꿈의 신소재’로 알려져 있다. 그럼에도 기존 합성 방식은 1,000 °C 이상 고온을 요구해 이를 충족하는 고가의 설비가 필요하고 생산성이 낮아 상용화에 어려움을 겪었다. 특히 리튬(녹는점 180°C), 주석(232°C), 아연(420°C) 등 낮은 온도에서 녹는 금속 기판에서는 합성 자체가 제한되었다.

공동연구팀은 고에너지 초음파를 통해 재료의 국소 표면에 순간적으로 극한의 고온(5,000℃ 이상)과 고압(1,000기압 이상)을 발생시키는 ‘공동현상(cavitation)’을 유도해 녹는 온도가 낮은 아연 기판 위에 그래핀을 직접 성장시키는 새로운 공정을 제시했다. 이 새로운 합성법을 통하면 별도의 고온·진공 장비 없이 짧은 시간에 대면적 그래핀 합성이 가능해진다.

연구팀은 초음파 공정으로 만든 그래핀을 재생에너지 발전소용 에너지 저장 시스템(ESS)로 주목받고 있는 수계 아연 이차전지의 아연 음극 표면에 코팅해 적용했다. 그 결과, 아연 음극에서 문제로 지적돼 온 수지상(나뭇가지 모양의 뾰족한 결정) 성장과 부식을 효과적으로 억제했다. 더 나아가 이 공정을 리튬 금속 음극에도 확장 적용하여 차세대 리튬 이차전지 분야로의 활용 범위를 넓혀갈 계획이다.

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

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

홍승현 교수는 “특수한 가열이나 진공이 없는 일반 환경에서도 수행이 가능한 대면적 그래핀 성장 공정을 제시함으로써 그래핀 상용화의 현실적 장벽을 낮췄다”며 “수계 아연 이차전지는 물론, 차세대 리튬 금속 전지 등 차세대 이차전지의 핵심 박막 소재로 발전시켜 나가겠다”고 밝혔다.