[기술돌풍] 차세대 신소재, 탄소나노소재

차세대 신소재로 각광받고 있는 탄소나노소재.

현재 우리나라는 이 소재 산업의 중요성을 인지하면서 탄소소재 개발에 적극 나서고 있습니다.
먼저 표를 통해 살펴보겠습니다.

CVD법 관련 특허출원 건수에서 중국, 미국, 일본, 유럽을 모두 앞지르고 있습니다.

박리법 관련 특허출원 건수에서는 미국을 뒤따르고 있는 상황인데요.

이렇게 전 세계적으로 우리나라의 기술 경쟁력이 한발 앞섰다고는 볼 수 있지만 현재 국내 업체 가운데 그래핀 원소재의 대량 양산에 성공한 업체를 없다고 합니다.

그만큼 실용화 단계에서는 아직까지 부실한데요.

하지만 그래핀 상용화를 기반으로 탄소소재강국을 꿈꾸고 있는 만큼 초기 단계 기술력은 탄탄하다고 볼 수 있습니다.

유진투자증권 명동지점 김영재 부장과 살펴보겠습니다.


질문1. 꿈의 소재라 불리는 그래핀이 무엇이며 현재 기술 개발은 어떻게 이뤄지고 있나?

-그래핀은 탄소 원자들이 2차원 상에서 벌집모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질입니다.

그래핀을 얻을 수 있는 물질인 흑연은 탄소를 육각형 벌집 모양으로 층층이 쌓아 올린 구조로 되어 있는데 그래핀은 흑연의 탄소 평면 중 한 층을 아주 얇게 분리해 낸 물질입니다.

2004년 영국의 맨체스터대학교 연구팀이 스카치테이프의 접착력을 이용해 흑연에서 그래핀을 떼어내어 상온에서 완벽한 2차원적 구조의 그래핀을 만들어 내는데 성공했습니다.

현재 그래핀은 세계 각국에서 치열한 경쟁을 벌이며 연구에 매진하고 있는데 현재 기술 수준은 연구소에서 소량 생산하는 수준이며 대량생산은 아직까지 못하고 있는 실정 입니다.

그래핀 제조 방법은 크게 물리적 박리법, 화학 증착법, 화학적 박리법, 에피텍셜 합성법으로 나누어 지는데 우리나라의 경우 화학 증착법 방식의 그래핀 특허건수 세계 점유율이 30% 이상으로서 중국, 미국, 일본을 제치고 제일 선두에 있습니다.

특히 화학 증착법이 또 다른 제조기술인 박리 방식보다 고품질의 그래핀을 얻어낼 수 있는 기술인데다 미국특허의 상당수가 한국출원인임을감안하면 원천기술에서 우리나라의 기술 경쟁력이 한발 앞섰다고 볼 수 있습니다.

그렇지만 아직 값싸고 품질 좋은 소재를 대량으로 생산해 내야 하는 실용화 단계까지는 시간이 더 필요할 것으로 예상됩니다.

질문2. 그래핀의 특성은?

-그래핀은 높은 전도도를 가져 각종 전자기기에 사용되는 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 반도체에 쓰이는 실리콘보다 전자 이동성도 100배 이상 빨라 인류가 갖고 있는 물질 중에서 전자 이동속도가 가장 빠르다는 특징이 있습니다.

또한 두께가 0.2 나노미터에 불과할 정도로 얇고 빛을 대부분 통과시킬 정도로 투명하다는 특성도 함께 지니고 있습니다.

이러한 여러 특성들로 인해 많은 분야에서 응용이 가능해 검은 황금이라고 불리우는 석유에 이어 인류에게 새로운 황금이 될 것으로 기대를 모으고 있습니다.


질문3. 다양한 분야에서 활용도가 높은 것으로 알려지고 있는데, 어떤 분야에서 응용이 되고 있나?

-먼저 반도체 분야에서 집적도와 처리 속도가 한계점에 이른 실리콘을 대체할 것으로 기대되고 있습니다.

현재 실리콘 기반 비메모리 반도체의 미세공정이 14나노까지 도달했는데 그래핀은 이 한계를 넘어 10나노 이하 미세공정까지 가능하게 할 전망입니다.

또한 얇고 투명한 특성을 이용한 차세대 디스플레이 소재로도 주목 받고 있는데 유연성과 신축성이 뛰어나 플렉서블 디스플레이 생산 소재로 사용될 것으로 예상됩니다.

전기자동차와 모바일기기 등에 사용되는 배터리 성능을 향상 시킬 소재로도 주목 받고 있습니다.

현재 주로 사용되고 있는 리튬이온 배터리에 비해 그래핀 응용 배터리는 전기전도도가 빨라 충전 시간을 16분의 1 수준으로 줄일 수 있으며 배터리 용량과 전력 효율성이 역시 높일 수 있습니다.

또한 고성능 전자기기 사용시 발생하는 발열 문제를 해결할 소재로도 기대가 큰데 그래핀은 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열을 잘 전달해서 그래핀을 활용한 방열시트, 방열도료, 방열패드와 같은 제품 제조가 가능합니다.

마지막으로 그래핀은 강철보다 200배 튼튼해 전자소재뿐만 아니라 다양한 분야에서 복합소재로 활용도가 높습니다.

현재 차량 경량화, 우주항공 분야, 방탄복과 같은 기능성 의류 등에 그래핀을 응용한 복합소재 개발이 진행되고 있습니다.


질문4. 관련기업들의 동향은?

-현재 국내 업체 가운데 그래핀 원소재의 대량 양산에 성공한 업체는 없는 것으로 알려져 있습니다.

포스코, 한화케미칼, 솔브레인, 대주전자재료 등에서 개발하고 있으나 대부분 연구 개발 초기단계이거나 소량의 파일럿 생산 수준에 머물러 있습니다.

그 중 대주전자재료가 올해 처음으로 OEM 방식의 계약을 체결해 첫 양산에 들어간 것으로 알려졌는데 양이 매우 적고 가격이 비싸다고 알려져 있습니다.

솔브레인은 올해 하반기부터 국책과제로 월 10톤 규모의 산화그래핀 제조공정 기술 개발에 참가하고 있는데 이 사업규모가 60억원이 넘는다는 점과 월 10톤이라는 대규모 생산 기술 개발이라는 점 때문에 초기 기획단계에서부터 업계 이목을 끌은 바 있습니다.

만일 이 사업이 성공한다면 그래핀 상용화를 크게 앞당길 수 있게 될 전망입니다.

이창진