꿈의 신소재라고 불리는 그래핀, 무엇이길래?

그래핀(Graphene)은 플라스틱 소재의 발견 이후 인류 역사상 가장 획기적인 신소재의 발견이라고도 할 수 있다. 먼저 그래핀(Graphene)이 왜 꿈에 신소재라 불리는지, 얼마나 얇고 단단한 도체인지 궁금하다면, 필자가 이전에 작성한 글인 "노벨상을 거머쥔 꿈의 신소재 그래핀, SF영화가 현실로?" 를 읽어보길 바란다. 다른 연구성과를 제쳐두고 2010년 노벨물리학상의 영광을 손에 쥔 그래핀이라는 꿈의 신소재로 디스플레이를 만든다면 현재의 스마트폰 혁명을 또 한차례 뒤집어버릴 혁명이 될 것이다.

지난 2004년,영국 맨체스터 대학의 연구팀에서 상온에서 처음으로 제작된 그래핀(Graphene)은 현재 전세계에서 상용화를 이루기위한 연구가 한창이며, 상용화단계의 선두주자는 대한민국이다. 짧게는 4~5년 안에 휴대전화의 디스플레이 소재로 활용될 전망이며 길게는 10년 전 후 사이에 반도체 소재로서 실리콘을 대체할 수 있을 정도의 실용화가 이루어질 것으로 내다보고 있다. 멀지않는 미래에는 인간의 삶에서 떼놓을 수 없는 필수적인 소재로 흔치않게 볼 수 있을 것이다.

그래핀은 왜 꿈의 신소재라고 불리는가?
대략적으로 그 성능을 비교하자면 그래핀의 강도는 강철보다도 200 이상 강하고 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 도체로서의 성능을 좌우하는 전기전도성은 구리보다 100배 이상 전기가 잘통하고 반도체의 재료로 사용되는 단결정 실리콘보다 100 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 이정도라면 충분히 꿈의 신소재라고 불릴만 하지 않을까? 

더욱이 그래핀은 빛을 98% 이상 투과시킬 정도로 투명하다. 즉, 할리우드 영화 "마이너리티 리포트"에서 주인공 톰 크루즈가 사용하던 "누드 디스플레이"를 직접 볼 날이 멀지 않은 것이다. 실제로 현재 전세계에서는 그래핀을 이용한 응용개발연구가 활발히 이루어지고 있는 상황이다. 재작년(2009년) 세계 최초로 개발되어 상용화가 가능한 "그래핀" 필름은 가로세로 2cm로 마음대로 잡아당기거나 휘거나 접을 수도 있다. 갈수록 그래핀의 상용화 기술개발이 더욱 활발히 진행되고 있는 현실이다.

그래핀으로 만든 디스플레이, 얼마나 얇고 단단할까?

상용화가 활성화되기 위해서는 앞으로 5년에서 10년 정도의 기간이 필요하다는 회의적 시각이 존재하지만 무엇보다 빠르고 예쁘며 실용적인 전자기기를 요구하는 현 시대적 상황을 생각한다면 훨씬 빠른 상용화가 가능할 것으로 보인다. 아래의 동영상을 재생해보면 그래핀으로 만든 디스플레이가 얼마나 얇고 단단할 수 있는지를 확실히 알 수 있다.

그래핀의 활용분야와 시장은 얼마나 커질까?

태양전지는 풍력, 수소연료전지, 조력, 바이오에탄올 등의 신재생에너지 기술 중에서 상품성은 가장 뛰어나지만 발전 단가가 가장 높은 것이 단점으로 부각되었다. 이에 따라 태양전지 모듈의 고효율화와 동시에 저가화가 반드시 이루어져야 한다. 이러한 태양광 모듈 시장의 90%를 차지하고 있는 단결정 실리콘이나 다결정 실리콘 등을 대체할 그래핀의 상용화가 시급한 시점이다.

태양전지를 비롯한 2차전지 시장에서의 영향은 생각보다 크다. 휴대폰과 노트북, 전기차는 충전가능한 리튬이온전지를 사용한다. 휴대폰 배터리를 충전하는데 걸리는 시간이 대개 2시간 남짓이지만 그래핀 전극을 적용하면 충전 시간을 10분 내외로 단축 할 수 있다. 한국생산기술연구원은 2차전지 등 에너지용 전극재료로써 그래핀 시장이 2030년 전체 시장에서 가장 큰 규모인 87조원으로 전망했다. 

그래핀은 무엇보다 투명전극 시장에서 사용도가 크게 증가할 것이라는 예상이다. 투명전극은 LCD, OLED 등의 평판 디스플레이, PMP, 닌텐도DS, 스마트폰에 적용되는 터치스크린, 태양전지 등에 사용되고 있는 매우 중요한 전자부품 중의 하나이다. 그래핀을 터치스크린 핵심 부품인 ITO(투명전극)를 대체하는 소재로 활용할 경우 아이폰으로 대변되는 터치스크린의 성능을 뛰어넘을 수 있다. 그래핀의 투명전극 시장 규모는 2030년 71조원까지 확대될 것으로 전망되고 있다. 또한 그래핀은 초경량 복합재, 전자인쇄용 소재, 배이러 소재사업 등에서도 큰 성장을 달성해 나갈 것으로 전망되고 있다.

그래핀은 반도체의 속도와 성능을 결정한다고 할 수 있는 전자의 이동속도가 매우 빠르다. 그래핀의 전자 유효질량은 거의 "0"에 가까워 전자가 마치 광자처럼 빛의 속도를 내는 효과를 보이며, 반도체 성능을 한 단계 더 높여줄 것이란게 업계의 전망이다. 한국생산기술연구원은 그래핀 반도체 시장이 2030년 50조원 규모를 기록할 것으로 예상했다.

 그래핀 응용 신시장 창출을 위한 컨퍼런스 발표자로 참여한 한국생산기술연구원 허훈 박사는 오는 2015년이면 그래핀 투명전극 시장이 6조 6천억원, 그래핀 반도체 시장이 1조워느 에너지용 전극재료 시장이 6조원 규모이며, 초경량 복합재 시장이 9조원 그래핀 방열소재 시장이 8조원, 인쇄전자용 소재 시장이 1조 3천억원 규모로 커질 것이라고 발표했다.

그래핀 상용화의 선두주자라는 대한민국의 현주소는?

현재까지 이루어진 그래핀의 연구성과는 당장 실용화가 가능할 수준은 아니다. 현재 무엇보다 시급한 점은 그래핀을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 개발하는 것이다. 현재 이러한 상용화 연구의 선두주자는 대한민국이며, 실제로 홍병희 성균관대 화학과 (성균나노과학기술원) 교수와 안종현 성권관대 (신소재공학과) 교수가 화학증기 증착법을 이용하여 세계 최초로 가로세로 약 2cm의 휘어지는 투명필름을 그래핀으로 상용화 하는데 성공하였다.

안 교수에 의하면 우리나라의 그래핀 연구는 세계 최고 수준이다. 고품질의 그래핀 대량생산에 성공하면 소재분야에서 최초로 원천기술을 갖게된다. 그래핀을 투명 전극으로 사용하기 위한 대량생산 설비를 확보한 곳은 전세계에 한 곳도 없다. IBM, 소니 등 미국과 일본의 대기업들도 그라핀의 상용화를 위해 밤낮없이 연구에 매진하고 있는 현실이다. 일본은 터치스크린에 사용되는 산화인듐주석의 대체재로 그래핀을 주목하고 있다.
 
삼성테크윈 같은 국내 굴지의 대기업 계열사들도 그래핀의 상용화에 박차를 기하고 있는 상황이다. 이는 우리나라의 주력 산업 중 하나가 메모리 산업과 같은 반도체 산업이기 때문에 다른 나라에 비해 그래핀의 상용화에 앞장서고 있다. 국내 한 중소기업인 나노 합성 전문기업 엔바로테크(대표 구자운)에서는 하루에 50kg 규모의 그래핀을 생산할 수 있는 파일럿 생산라인을 구축한 상황이며 시범생산에 돌입하고 있기도 하다.

 

한화케미칼은 미국 탄소나노소재 전문 연구기업인 XG사이언스의 지분 15만주에 대한 인수 계약을 체결하였다. 한화케미칼은 약 300만 달러에 XG사이언스의 지분율 19%를 확보하며 그래핀(Graphen)을 활용한 응용소재 개발 연구에 진출하게 됐다. 또한 XG사이언스가 인도, 중국 등 아시아 지역에서 생산하는 그래핀의 판매권리도 획득하게 됐다. 한화케미칼은 CNT, 그래핀의 응용소재 개발을 앞당기기 위하여 한화L&C와 경량화 부품소재를 개발하고 한화나노텍 등과도 폭넓은 연구 협력을 지속할 예정이다.

또한 울산과기대(UNIST) 전기전자공학부 학부생 조기영씨(23)가 '전도성 고분자를 이용해 환원된 그래핀 용액을 이용한 투명전극 제조기술'을 개발해 미국화학회가 펴내는 랭뮤어(Langmuir)지에 논물을 실은 바 있다. 학부생이 SCI(과학기술논문 인용 색인)급 저널에 주 저자로 이름을 올리는 것은 이례적인 일이다. 이 논문은 산화 그래핀의 전도성을 높이기 위해 흔히 쓰이는 환원 반응시에 'pe-dot'라는 전도성 고분자를 첨가하면 기존 방법으로 환원된 그래핀보다 월등한 전기 전도도를 구현할 수 있음을 입증한 것이다.

그래핀 상용화로 기술 선진 대한민국을 기대해본다.