●꿈의 신소재 '그래핀' 전성시대
시계처럼 손목에 착용하는 휴대폰, 신문처럼 둘둘 말아 보관할 수 있는 전자종이, 지능형 컴퓨터가 내장된 웨어러블 컴퓨터. 이들은 더 이상 공상과학 영화에만 등장하는 전유물이 아니다. 꿈의 신소재로 불리는 그래핀이 영화 속 세상을 현실화해 주고 있다.
그래핀(Graphene)은 흑연에서 벗겨낸 한 겹의 탄소 원자 막으로서 원자들이 6각형 벌집구조로 결합된 나노소재다. 두께가 탄소 원자 하나, 즉 0.35나노미터(㎚)에 불과한 세상에서 가장 얇은 물질이지만 강도가 강철의 200배나 되는 세상에서 가장 강한 물질이다. 또한 전자 이동도가 실리콘의 140배, 열전도율과 허용 전류 밀도는 각각 구리의 100배와 1,000배에 달한다.
얇고 강하기로는 둘째가라면 서러워할 원통형 탄소나노튜브(CNT)를 평면으로 펼쳐 놓은 모습으로 CNT의 탁월한 전기적·물리적 특성을 지니면서 두께와 투명도는 CNT보다 뛰어나다.
특히 CNT와 달리 늘리거나 구부려도 전기적 성질이 변하지 않으며 제어도 상대적으로 용이하다. 때문에 플렉시블 디스플레이, 터치스크린, 초고속 반도체 소자, 고효율 태양전지, 투명전극, 웨어러블 컴퓨터 등 다양한 전자·반도체 산업 분야에서 활용이 가능한 꿈의 소재로 불린다. 산업적 활용도에서 지금껏 인류가 발견한 물질 중 단연 최고다.
6,000억 달러 시장
그래핀은 지난 2004년 영국 맨체스터 대학의 안드레 가임 교수팀이 처음 분리에 성공하면서 화려한 등장을 알렸다. 이후 소재로서 지닌 탁월한 전기적, 물리적, 화학적 특성이 실험을 통해 밝혀지며 학계와 산업계의 이슈로 떠올랐다.
전문가들은 그래핀으로 제조된 터치스크린 화면이 스마트폰 디스플레이에 접목되는 것을 신호탄으로 반도체와 신재생 에너지 분야로 점차 응용 영역이 확대될 것으로 예견하고 있다. 태양전지의 경우 현재 주류를 이루고 있는 1세대 단결정 실리콘 전지 등을 대체할 차세대 소재로 각광받고 있으며 휴대폰과 전동차에 활용되는 리튬이온전지에 그래핀 전극이 채용되면 충전시간의 대폭적인 단축이 가능하다.
시장조사기관들에 의하면 글로벌 그래핀 시장규모는 오는 2015년경 투명전극과 복합소재 등을 중심으로 300억 달러를 형성하고 2020년 900억 달러, 2030년 약 6,000억 달러 등 매년 괄목할 만한 성장세를 나타낼 것으로 전망된다.
이 점에 주목해 미국, 유럽을 필두로 세계 각국에서 그래핀의 상용화를 위한 연구개발에 적극적 투자를 단행 중이다. 일례로 미국은 국립과학재단(NSF)을 주축으로 최근 5년간에만 2,800만 달러를 투자했고, 펜타곤 산하 방위고등연구계획국(DARPA)도 올해까지 3,000만 달러를 쏟아 붓고 있다.
이는 우리 정부도 크게 다르지 않다. 얼마 전 2,100억원 규모의 '그래핀 소재·부품 상용화 기술개발사업'을 추진하는 등 본격적인 그래핀 상용화에 드라이브를 가하고 있다. 또한 이미 한국전기연구원, 한국기계연구원, 한국전자통신연구원, 한국화학연구원, 한국과학기술원(KAIST), 성균관대학 등 다수의 정부출연연구기관과 대학, 산업체업들이 연구에 뛰어든 상태다. 이들은 그래핀 결정 규명, 구조 해석, 관찰 신기술 등의 연구성과를 내면서 응용연구의 토대를 구축하고 있다. 덕분에 우리나라는 그래핀 응용·기술 연구에 있어 가장 활발한 성과를 도출하는, 그래핀 상용화에 가장 근접한 국가라는 대내외적 평가를 받고 있다.
실제로 그래핀 분야의 세계적 석학인 김필립 컬럼비아대학 교수는 세계 최초로 그래핀의 전기적 특성을 해석, 반도체와 투명전극 등으로의 응용을 위한 기초 이론을 제공했다.
또 삼성테크윈은 성균관대와 공동으로 화학증착방식 기술을 적용해 전도성을 향상시킨 30인치(76.2㎝)급 대면적 그래핀의 합성에 성공했다. 포스코와 한화케미칼의 경우 미국 탄소 나노소재 전문 연구기업 XG사이언스의 지분을 인수, 각각 최대주주와 2대주주로서 그래핀 응용소재 개발 연구에 착수했다.
연구팀은 이렇게 생산된 그래핀이 탄소나노튜브-그래핀 혼성 투명전극, 플렉시블 디스플레이, 태양전지 등에 활용될 수 있으며 기술인전 및 상용화를 통해 향후 5년간 2,000억원의 제조원가 절감과 420만 달러의 수입대체효과를 기대하고 있다. 기술을 이전받은 나노분야 전문기업 상보는 정전용량 방식 투명전극 필름, 태양전지 및 연료전지, 플렉시블 디스플레이 전극 소재 등을 상용화해 5년간 6,000억원의 매출을 달성한다는 계획이다.
투명전극 활용도 급증 전망
그동안 터치스크린용 투명전극 등 각종 평판 디스플레이의 투명전극 소재에는 희귀금속 중 하나인 산화인듐주석(ITO)으로 코딩을 해야 했다. 하지만 ITO는 가격이 비싸고, 전량수입에 의존하고 있으며, 수요 대비 공급부족 현상이 나타나 새로운 대체소재 개발이 요구되고 있다. 그래핀이 바로 이에 부합하는 소재다.
이와 관련 성균관대 안종현 교수팀과 한국기계연구원 이학주 박사팀은 올 2월 '그래핀 유연투명전극용 폴리머 박막' 개발에 성공했다고 밝혔다. 폴리머 박막은 그래핀이 고온다습한 환경에서 전기 전도도가 떨어지고 가벼운 마찰에 의해서도 전극이 쉽게 파괴되는 단점을 보완한 일종의 보호필름이다.
이번에 개발된 폴리머 박막은 그래핀 표면에 30㎚ 두께로 균일하게 자외선을 코팅한 것으로서 높은 온도와 습도, 마찰에도 그래핀이 오랫동안 우수한 전기 전도도를 유지할 수 있도록 해준다. 이 박사는 "그래핀의 다양한 응용분야 가운데 유연투명전극이야말로 가장 시장성이 높은 분야"라고 설명했다.
KAIST 조병진 교수팀은 금속 위에서 합성된 대면적 그래핀의 실용화를 위한 최대 걸림돌로 꼽히는 친환경 그래핀 분리기술을 개발했다. 지금까지는 촉매 금속 위에서 합성된 대면적 그래핀의 경우 그래핀을 금속과 분리하기 위해 화학약품을 사용했다. 그러나 이 방법은 금속의 재활용이 불가하고 생산단가가 높다. 또한 다량의 유해 폐기물이 발생하기도 한다.
이에 연구팀은 그래핀과 구리 사이의 접착력을 측정하고, 이보다 더 강한한 접착력을 지닌 유기판을 그래핀에 붙여 구리와 분리하는 방법을 창안했다. 또 분리된 그래핀을 다른 기판에 전사하지 않고, 그 위에 곧바로 전자소자를 제작하는 데 성공, 기존 그래핀 생산단계를 획기적으로 줄였다.
우수한 특성을 갖는 그래핀 제조를 위해서는 그래핀 결정면의 영역과 경계를 쉽고 빠르게 관찰해야 한다. 그래야만 그래핀의 물성을 크게 향상시켜 상업화할 수 있다.
대면적 그래핀 특성평가 성공
이를 위해 KAIST 생명화공과 정희태 교수팀은 그래핀의 결정면을 간편하고, 대면적으로 관찰할 수 있는 신기술을 개발했다. LCD에 사용되는 액정의 광학적 특성을 이용, 그래핀 단결정의 크기와 모양을 대면적에 걸쳐 쉽고 빠르게 시각화할 수 있도록 한 것. 또한 이런 시각화를 바탕으로 단결정에서 얻을 수 있는 이론값에 가장 가까운 전기 전도도를 직접 측정하는 데 성공했다.
이 기술을 활용하면 그래핀 결정면의 영역과 경계를 한층 쉽고 빠르게 관찰할 수 있어 투명전극, 플렉시블 디스플레이 등 다양한 전자소자 응용연구에 활용성 높다. 정 교수는 "이번 연구는 세계 최고의 액정 배향 제어기술을 토대로, 대면적에 걸쳐 그래핀의 결정면을 쉽게 관찰할 수 있는 방법을 제시했다는 점에 큰 의미가 있다"고 강조했다.
덧붙여 한국전자통신연구원 그래핀소자창의연구실 김진태 박사와 KAIST 전자공학과 최성율 교수는 그래핀 기반의 플라즈몬 광도파로 소자를 공동 개발하기도 했다.
두 박사는 반도체 특성을 갖는 그래핀의 전도도는 화학적 도핑, 전기장, 자기장 그리고 게이트 바이어스 전압 조절 등을 통해 변화시킬 수 있어 기존의 금속이 갖는 한계를 극복하는 신개념 광전자로 소자를 개발할 수 있는 무한한 가능성을 갖고 있다고 설명한다.
이번에 개발한 그래핀 광도파로 기술은 이론적으로만 연구되고 있었던 그래핀을 통한 광도파로 특성을 실험적으로 증명한 것이다. 특히 그래핀을 통한 광통신 성능을 확인함으로써 그래핀 광도파로를 기존의 반도체 소자와 결합, 광통신 및 전기통신이 동시에 가능한 차세대 광 반도체 융합 신소자로서의 개발 가능성을 크게 열었다는 평가다.
대덕=구본혁기자 nbgkoo@sed.co.kr