- 대량생산 등 상용화 R&D 가속화
[헤럴드경제=구본혁 기자] 시계처럼 손목에 착용하는 휴대폰, 신문처럼 둘둘 말아 보관할 수 있는 전자종이, 지능형 컴퓨터가 내장된 웨어러블 컴퓨터 등은 더 이상 공상과학영화에서만 등장하는 전유물이 아니다. 꿈의 신소재로 불리는 그래핀이 이 같은 현실을 구현해 줄 것으로 기대되고 있기 때문이다.
그래핀(Graphene)은 탄소원자가 육각형 형태의 벌집 모양으로 연결된 한 층으로 구성된 인공 나노물질을 일컫는다. 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 1000배 이상 전기가 잘 통하는 우수한 물리적·전기적 특성 등 지금까지 인류가 발견한 소재 가운데 가장 얇고 튼튼한 물질로 알려졌다. 때문에 플렉시블 디스플레이, 터치스크린, 초고속 반도체 소자, 고효율 태양전지, 투명전극 등 다양한 분야에서 활용이 가능하다는 점에서 산업계와 학계의 주목을 받고 있다.
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| KAIST 신소재공학과 학생들이 액체상태의 그래핀을 반도체 웨이퍼에 박막형태로 코팅이 된 샘플을 검사하고 있다. [제공=KAIST] |
▶반도체·디스플레이 등 산업활용 높아=그래핀은 지난 2004년 영국 맨체스터대학 안드레 가임 교수팀이 처음 분리하는데 성공하면서 그 화려한 등장을 알렸다. 이후 그래핀은 우수한 전기적, 물리적, 화학적 특성이 실험적으로 밝혀지고 2010년 노벨물리학상을 수상한 이후 학계 및 산업계의 관심의 대상으로 자리매김했다.
일반적으로 그래핀은 흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로, 탄소원자가 벌집모양의 육각형 결정을 이루며 원자 하나의 두께를 갖는 탄소의 2차원 동소체를 일컫는다. 두께가 0.35nm(나노미터)에 불과하고 전자이동도가 실리콘의 140배, 열전도율과 허용 전류 밀도가 각각 구리의 100배, 1000배에 달하는 등 강도, 열전도성, 탄성이 뛰어나 물리적, 화학적 안정성이 매우 높다는 것이 특징이다.
마치 원통형인 탄소나노튜브(CNT)를 평면으로 펼쳐놓은 모습으로 CNT의 탁월한 전기적·물리적 특성을 지니면서 두께와 투명도는 CNT보다 뛰어나다. 또 CNT와 달리 늘리거나 구부려도 전기적 성질이 변하지 않으며 제어도 상대적으로 용이하다.
전문가들은 그래핀으로 제조된 터치스크린 화면이 스마트폰 디스플레이에 접목되면서 향후 반도체와 신재생에너지 분야로 점차 확대될 것으로 예측하고 있다.
태양전지의 경우 현재 1세대 단결정 실리콘 등을 대체할 그래핀의 상용화가 매우 시급한 실정이다. 또 휴대폰과 전기자동차에 활용되는 리튬이온전지에 그래핀 전극을 활용하면 충전시간을 대폭 줄일 수도 있다.
이 같은 특성 때문에 최근 전 세계적으로 그래핀 상용화를 위한 연구개발이 폭발적인 증가세를 나타내고 있다.
시장전문조사기관 등에 따르면 그래핀은 오는 2018년경 투명전극, 복합소재 등을 중심으로 300억 달러, 2020년 900억 달러, 2030년 6000억 달러에 달하는 새로운 거대 시장이 형성될 것으로 전망된다.
물론 아직까지 고품질의 그래핀 대량생산 기술을 개발한 곳은 전 세계적으로도 전무한 상태다. 고품질 대량생산 기술을 갖추고 되면 시장선점을 통해 막대한 이윤을 창출할 것이 자명하다.
이 같은 이유에서 미국, 유럽을 중심으로 세계 각국은 그래핀 상용화를 통한 시장 선점을 위해 막대한 연구개발 예산을 투입하고 있다.
▶한국이 상용화에 가장 근접= 특히 우리나라는 그래핀 응용·기술 연구에서 가장 활발한 성과를 도출해 내고 있어 상용화에 가장 근접했다는 평가를 받고 있다.
현재 한국전기연구원, 한국기계연구원, 한국전자통신연구원, 한국화학연구원, KAIST, 성균관대 등 많은 정부출연연구기관과 대학, 산업체들이 그래핀 상용화 연구에 뛰어든 상태다. 이들은 그래핀 결정 규명, 구조해석, 관찰 신기술 등 다양한 연구성과를 창출하면서 응용연구 토대를 마련하고 있다.
먼저 한국과학기술원(KAIST) 조병진 교수팀은 금속 위에서 합성된 대면적의 그래핀을 실용화하기 위한 최대 걸림돌로 꼽히는 친환경 그래핀 분리기술을 개발했다.
촉매금속 위에서 합성된 대면적 그래핀은 화학약품을 사용해 그래핀을 촉매금속으로부터 분리하는 방법을 사용해 왔다. 하지만 이 방법은 금속 재활용이 불가능하고 생산단가가 높으며, 많은 양의 폐기물이 발생한다는 것이 단점으로 지적돼왔다.
연구팀은 그래핀과 구리 사이의 접착력을 측정해 이보다 더 강한 접착력을 가지는 유기판을 그래핀에 붙여 구리와 분리하는 방법을 개발해냈다. 또 분리된 그래핀을 다른 기판에 전사하지 않고 곧바로 그 위에 전자소자를 제작하는 데 성공해 기존 생산단계를 획기적으로 줄였다.
조병진 교수는 “이를 그래핀 생산기술에 활용해 지금까지 대면적 그래핀 실용화의 가장 큰 기술적 난제를 해결했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.
또한 그래핀은 터치스크린용 투명전극 시장에서 사용도가 획기적으로 증가할 것으로 예상된다.
한국기계연구원 이학주 박사팀은 ‘그래핀 유연투명전극용 폴리머 박막’ 개발에 성공했다.
폴리머 박막은 그래핀이 고온다습한 환경에서 전기 전도도가 떨어지고 가벼운 마찰에 의해서도 전극이 쉽게 파괴되는 단점을 보완한 일종의 보호필름이다. 공동 연구팀이 개발한 폴리머 박막은 그래핀 표면에 30㎚ 두께로 균일하게 자외선을 코팅한 것으로, 높은 온도·습도·마찰에도 그래핀이 오랫동안 우수한 전기 전도도를 유지할 수 있도록 해준다.
이학주 박사는 “그래핀의 다양한 응용분야 가운데 그래핀 유연투명전극은 상용화가 가장 유력한 분야”라며 “이 기술은 그래핀 유연투명전극 상용화에 주력하고 있는 기업들에게 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.
nbgkoo@heraldcorp.com
