장 박사는 맥진정보통신 연구팀, 한양대 김한수 교수 연구팀, 미국 노스웨스턴대학교 지아싱 후앙 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 버려지는 실리콘 폐기물을 재활용해 첨단 고부가가치 원료소재인 그래핀-실리콘 복합체를 단일 공정으로 제조하는 기술을 세계 최초로 개발했다.
실리콘 폐기물(슬러지)은 태양전지 및 반도체용 실리콘 웨이퍼 제조 공정에서 발생한다. 실리콘 폐기물은 주로 실리콘과 실리콘 카바이드로 구성돼 있으며, 순도 9N(99.9999999%) 이상의 초고순도 실리콘 나노입자들이 30% 이상 함유돼 있다. 이를 분리 회수하면 각광받는 고부가가치 소재인 리튬 이차전지의 음극소재에 활용할 수 있어 최근 높은 관심을 받고 있다.
국내 태양전지와 반도체 산업이 크게 성장하면서 실리콘 폐기물의 발생량 또한 연간 21,000톤 이상으로 크게 증가하고 있지만 상용화된 재활용 기술이 거의 없어 대부분 폐기되고 있는 상황이다.
이번에 개발한 기술은 폐실리콘 슬러지에 함유된 실리콘을 단일공정으로 분리 회수 및 그래핀 산화물과 결합시켜 고효율 이차전지 음극소재를 제조하는 기술이다.
이 기술은 폐실리콘 슬러지를 그래핀 산화물과 함께 물에 분산시킨 용액을 에어로졸 공정을 이용해 화학적 처리 없이 단일 공정으로 분리?회수?결합 하는 기술로 기존의 기술에 비해 향상된 기술이다. 기존 연구에서는 1차로 실리콘 슬러지에 함유된 실리콘을 분리 회수한 후, 2차로 그래핀과 결합시켜 이차전지 음극소재를 제조했지만, 이번 연구결과는 이 공정들을 단일화해 실리콘 분리 및 그래핀 복합화를 동시에 진행할 수 있게 됐다.
장희동 박사는 “버려지던 폐기물을 고부가가치 소재로 재활용할 수 있는 중요한 기술”이라며 “이 기술을 통해 차세대 리튬이차전지 음극소재 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구성과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트 9월 20일자 온라인판에 게재됐다.
대덕=구본혁기자 nbgkoo@sedaily.com
