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지질자원硏, 폐실리콘서 그래핀-실리콘 회수한다
그래핀 산화물과 결합…수분 증발시켜 분리회수
실리콘카바이드(SiC)와 실리콘(Si)으로 구성된 실리콘 슬러지(폐기물)을 그래핀 산화물과 함께 물에 분산시킨 용액을 가습기가 분무하는 것과 유사한 에어로졸 공정을 이용해 물방울 속에 가둔다. 그뒤 수분을 증발시켜 내부의 실리콘-그래핀 복합체를 분리회수한다.
버려지는 실리콘 폐기물을 재활용해 첨단 고부가가치 원료소재인 그래핀-실리콘 복합체를 단일 공정으로 제조하는 기술이 개발됐다.

한국지질자원연구원(원장 신중호, KIGAM)은 장희동 자원활용연구센터 박사 연구팀과 ㈜맥진정보통신(대표 서진규) 연구팀, 한양대 김한수 교수 연구팀, 미국 노스웨스턴대학교 지아싱 후앙(Jiaxing Huang) 교수 연구팀이 공동으로 실리콘 폐기물로부터 차세대 리튬이차전지의 음극소재인 그래핀-실리콘 복합체를 제조하는 새로운 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

실리콘 폐기물(슬러지)은 태양전지 및 반도체용 실리콘 웨이퍼(얇은 실리콘 판) 제조 공정에서 발생한다. 실리콘 폐기물은 주로 실리콘과 실리콘 카바이드로 구성되어 있으며, 순도 9N(99.9999999%) 이상의 초고순도 실리콘 나노입자들이 30% 이상 함유되어있다.

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 있다. 하지만, 상용화된 재활용 기술이 거의 없어 대부분 폐기되고 있다.

이에 공동연구팀은 폐실리콘 슬러지에 함유된 실리콘을 단일공정(One-step)으로 분리 회수 및 그래핀 산화물과 결합시켜 고효율 이차전지 음극소재를 제조하는 기술을 개발했다.

이 기술은 폐실리콘 슬러지를 그래핀 산화물과 함께 물에 분산시킨 용액을 에어로졸 공정을 이용해 화학적 처리 없이 단일 공정으로 분리ㆍ회수ㆍ결합 하는 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.

한국지질자원연구원과 공동연구팀은 ㈜맥진정보통신과 함께 이 기술의 상용화를 추진하고 있다.

한국지질자원연구원 장희동 책임연구원(박사)은 “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.

한편, 이 기술은 환경부 글로벌탑 환경기술개발 사업 중 유용자원재활용 기술개발 사업단(단장 조봉규) 지원으로 수행중인 연구사업을 통해 개발됐다.

연구결과는 지난달 20일 네이처 자매지인 사이언티픽 리포츠 (Scientific Reports) 誌 온라인판에 ‘에어로졸 공정을 활용한 폐실리콘 활용 실리콘-그래핀 복합체 제조 단일 공정’이라는 제목으로 게재됐다. (Impact Factor=5.228)

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