공동현상 유도한 저장비·저시간 공정으로 아연 음극 보호…수계 아연전지 성능 개선 확인
국민대·성균관대·KIST·한양대 공동연구팀이 고에너지 초음파를 이용해 실내 온도와 일반 공기 조건에서 대면적 그래핀을 성장시키는 데 성공했다.
별도의 고온·진공 장비 없이 짧은 시간에 합성 가능한 이 공정은 그래핀 상용화의 핵심 장벽인 고비용·저생산성 문제를 크게 완화할 것으로 기대된다.
공동연구팀은 초음파 공정이 유도하는 공동현상(cavitation)을 활용해 재료 표면에 순간적으로 5,000℃ 이상의 국소 고온과 1,000기압 수준의 고압을 발생시켰다.
이 극한 조건이 국소적으로 형성되면서 녹는점이 낮은 아연 기판 위에서도 그래핀을 직접 성장시킬 수 있게 됐다. 기존의 그래핀 합성법은 통상 1,000℃ 이상의 열과 진공 설비를 필요로 해 리튬·주석·아연 등 낮은 녹는점의 금속 기판 적용이 제한적이었다.
연구진은 초음파로 합성한 그래핀을 수계 아연 이차전지의 아연 음극에 코팅해 적용했다. 그 결과 수지상 결정의 성장과 전해질에 의한 부식이 유의미하게 억제되었고, 전지의 사이클 안정성과 수명 향상 효과가 확인됐다(논문에 상세 성능 수치 제시). 연구는 또한 동일 공정을 리튬 금속 음극에 확대 적용할 가능성을 제시해 차세대 리튬전지 응용으로의 확장도 전망된다.
이번 연구 성과는 에너지·소재 분야의 국제 저명 학술지 Carbon Energy에 "Direct Growth of Leopard‐Patterned Graphene on Zinc Anodes via Sonochemistry for High‐Performance Aqueous Zinc‐Ion Batteries"라는 제목으로 2025년 10월 온라인 게재됐다.
연구 책임자인 국민대 홍승현 교수는 “일반 환경에서 대면적 그래핀을 성장시키는 공정을 제시함으로써 그래핀 상용화의 현실적 장벽을 낮췄다”며 “수계 아연전지뿐 아니라 리튬 금속 전지용 박막 소재로도 발전시켜 나가겠다”고 밝혔다.
이번 초음파 기반 합성법은 장비 투자비와 공정 시간을 대폭 줄일 수 있어 산업적 스케일업에 유리하다. 특히 ESS(재생에너지 저장)용 수계 아연전지 시장에서 저비용·안전성 강화 솔루션으로 채택될 경우 상용화 속도를 높일 가능성이 크다.
향후 연구는 합성 품질의 균일성 확보, 대면적화의 공정 제어, 및 리튬 금속 음극 적용에 따른 전지 성능 최적화에 초점이 맞춰질 전망이다.