그래핀 응용분야 세계시장…
2025년 169조 원 이상 성장할 것

그래핀은 원자가 벌집 모양 육각형 결정을 가지는 탄소의 2차원적 동소체다. 독특한 물성과 우수한 전기적,
물리적 특성 때문에 그래핀 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 산화흑연으로부터 박리된 산화 그래핀은 대량생산의 가능성과 맞물려 많은 관심을 받았다. 이와 관련, ‘그래핀의 산화 및 분산기술 개발동향’이라는 주제로 한국전기연구원 나노융합기술센터의 정승열 박사가 발표한 내용을 정리했다.

이솔이 인턴기자(npnted@hellot.net)



그래핀 개념 및 특성

그래핀은 지난 20여 년간 많은 관심을 받아 온 탄소나노구조체의 기본 구조로, 층층이 쌓으면 3차원 구조의 흑연이 되고, 원기둥 모양으로 말면 1차원 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)가 되며, 축구공 모양으로 말면 풀러렌(Fullerene)이 된다(그림 1).



이러한 그래핀을 제조하는 방법에는 흑연 결정으로부터 그래핀 한 층을 분리하는 방법과 고온에서 탄소를 잘 흡착하는 전이금속을 촉매층으로 이용해 그래핀을 합성하는 화학기상증착법, 그리고 고온에서 결정에 흡착되어 있거나 포함되어 있던 탄소가 표면의 결을 따라 성장하는 에피성장법이 있다.
특히, 흑연을 산화시켜 용액 상에서 분리한 후 환원시키는 화학적 박리법은 대량생산 가능성과 화학적 개질이 용이하다는 점 때문에 다른 소재와의 하이브리드가 가능하다는 장점이 있다.
흑연을 산화시키고 이온성 물질을 층간에 삽입해 층간거리를 넓힘으로써 산화흑연을 제조하는 기술은 1974년부터 관심을 받았으며, 주로 이차전지나 슈퍼커패시터의 전극활물질로 연구가 진행돼 왔다. 2006년 Ruoff 그룹은 산화흑연을 기본 재료로 그래핀을 대량 생산할 수 있다고 제안했다.
화학적 박리기술은 흑연의 효과적 산화로 층간거리를 조절하고, 그래핀 표면에 결함을 최소화해 이를 최대한 sp2 탄소구조로 회복시키는 기술을 필요로 한다. 또한, 용액공정으로 기질에 도포해 활용하기 위해서는 그래핀 분산기술이 필수다.
현재 화학기상증착법과 화학적 박리법은 그래핀을 대량생산할 수 있기 때문에 상업적인 용도로 사용되고 있다.

1. 화학적 박리 그래핀

화학적 박리 그래핀(Chemically Exfoliated Graphene)은 용매를 기반으로 산화흑연(Graphite Oxide) 제조를 통해 박리를 유도하며, 이후 환원(Reduction)을 통해 산화 그래핀의 전기적 특성을 향상시키는 방법이다.
이 방법은 그래핀 대량생산에 용이하며 다양하게 응용할 수 있다. 그러나 강산[예 : 질산(HNO₃), 황산(H₂SO₄)] 을 이용한 흑연의 산화로 인해 환원 후 그래핀의 결함과 산소관능기를 완벽히 제거하기 어렵다는 단점이 있다.
그래핀은 sp2 혼성화 탄소원자로 이루어져 있는 벌집 모양 이차원 층으로 구성되어 있으며, 흑연은 그래핀 층들이 Z축에서 0.34㎚ 간격으로 이루어져 있다.
이처럼 그래핀은 강한 반데르발스 힘으로 층간결합을 이루고 있기 때문에, 흑연에서 그래핀을 박리시킬 때 기계적 힘 또는 화학적 이온의 층간 삽입이 필수다. 일반적으로 산화흑연은 물에서 분산이 용이하며 극성용매에서 음전하를 띈 박막 플레이트(수십∼수백 층으로 이루어진 산화 그래핀)로 존재한다. 분산된 산화흑연 박막 플레이트를 산화 그래핀으로 형성시키기 위해서 박리가 필요하다. 주로 사용되고 있는 박리법은 초음파 분쇄법(Ultra-sonic Agitation)과 급속가열을 통해 팽창된 산화흑연의 층을 분리하는 방법이다. 이후 환원과정을 거쳐 산화 그래핀 환원물(Reduced Graphene Oxide)을 형성한다. 이와 같이 산화, 박리, 분산, 환원 과정을 통해 화학적 박리 그래핀이 제조된다.

2. ‌습식공정 기반 고효율 그래핀 대량제조 및 유연전극 응용기술

세계적으로 전기기능성 2차원 나노소재로서의 그래핀 대량제조는 기술개발 초기에 해당한다. 한국전기연구원(KERI. Korea Electrotechnology Research Institute)은 상업적인 응용이 가능한 습식공정 기반 고효율 그래핀 대량제조 기술을 개발했다(그림 2).



먼저 고품질 박리 그래핀 상업화를 위해 Top down 방식의 흑연 박리법을 기반으로, 대량 그래핀 생산과 인쇄전자 접목을 위한 습식공정기반 고농도 분산용액 및 페이스트 제조에 중점을 두어 연구를 진행했다. 고품질의 그래핀은 소수성을 가져 일반적으로 사용되는 극성용매와 친화력이 없기 때문에 뭉침 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위한 다양한 방법이 소개됐지만 고품질 그래핀의 대량생산, 고농도 분산용액 및 페이스트 제조법은 여전히 난제였다.
그래핀과 용매 사이의 상호작용을 연구하던 중 반응시간 제어를 통해 고농도 그래핀 분산용액 형성이 가능함을 발견하고 추가 실험으로 분산메커니즘을 확인했다. 이를 통해 고농도 고품질 그래핀 분산용액, 페이스트 및 다공성 분말 제조 관련 대량생산이 가능하게 됐다.
이 기술은 차세대 유연 전기전자·에너지 소자에 적용 가능한 미래선도 나노소재 제조기술로서 대면적·고품질 그래핀의 고농도 분산, 페이스트 대량제조 기술이다. 농도와 점도 조절이 용이해 인쇄전자용 잉크로 직접 활용할 수 있기 때문에 향후 소프트 일렉트로닉스 구현에 습식공정기반 인쇄전자공정 적용이 가능할 것으로 예상된다.
이와 같이 유연 전도성 전극 상용화를 위해서는 인쇄전자공정이 수반돼야 하며, 고성능 나노재료 기반 페이스트가 절실히 요구된다. 또한 전기기능성 그래핀 대량제조 기술은 향후 ITO를 대체해 투명히터, 스마트 윈도우, 각종센서 등에 다각적으로 활용돼, 탄소나노튜브·그래핀 혼성 투명전극, 플렉시블 디스플레이, 태양전지 등의 각종 유연 전극, 유연 TFT, 에너지 소자전극, 및 전자파 차폐필름, 자동차 열선유리 등에 쓰일 것으로 전망된다.
그래핀 나노기술 세계시장 규모는 2018년 약 24조 원(Standard Resou-rces, NanoMarkets 2010), 국내시장 규모는 2015년 4조 원에 달할 것으로 전망된다.
이와 같이 나노 재료를 이용한 소프트 재료기술은 최근 신기능 및 고성능화의 핵심으로 각광받고 있으며 향후 지속적으로 IT 기술과 결합해 고도화된 기능성 소프트 일렉트로닉스 기술로 발전할 것이다.

3. 그래핀 응용분야

그래핀 나노소재는 다양한 성능과 파급효과를 가지며, 이를 이용한 부품 및 완제품, 관련 ‘원소재’ 장비 등의 솔루션을 포함하는 산업으로 응용분야가 무궁무진하다. 특히 그래핀은 강도, 열전도율, 전자이동도 등 여러 가지 특성이 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 신물질로서 디스플레이, 이차전지, 태양전지, 자동차, 조명 등 다양한 산업에 응용될 전략적 핵심 소재로  각광받고 있다. 부품·소재산업의 산업적 중요성은 다음과 같다.
•‌ 우리나라 대표적 수요산업인 디스플레이, 이차전지, 자동차 산업이 세계적 경쟁 우위 산업으로 성장하기 위해서는 후방산업인 부품소재 산업의 경쟁력 확보가 필수적이다.
• ‌그래핀은 2004년 발견된 이래 물리·화학·재료 분야에서 가장 주목받고 있는 물질로서, 2010년 노벨 물리학상을 수상했다.
•‌ 미국 물리학회 선정 ‘미래 정보기술을 바꿀 수 있는 가장 주목할 만한 신소재’로 소개됐으며, 그래핀 트랜지스터는 ‘MIT 선정 10대 유망기술’에 포함됐다. 국내에서도 그래핀을 실리콘 나노전자소자의 차세대 제로로서 ‘2008년 KIS-TEP 선정 10대 미래유망기술’에 포함했다.
•‌ 우수한 성질을 이용해 다양한 산업 분야에 적용 가능하고 대규모의 시장파급효과가 기대되는 그래핀 산업을 국가 미래 선도 전략산업으로 육성할 필요성이 점차 증대되고 있다.
•‌ 그래핀은 20세기 실리콘 기반의 딱딱한(Rigid)한 전자기술로부터 21세기 소프트한(Soft) 전자기술로 전환되는 차세대 소프트 일렉트로닉스 구현이 가능한 기술로 전기전자 및 에너지 소자의 패러다임을 전환할 수 있다(그림 3).

그래핀 응용분야별 시장 현황 및 전망

그래핀 응용분야는 매우 다양하다. 현재 그래핀 시장의 메인 플레이어는 그래핀 소재 생산 업체기 때문에 시장을 선점하고 진출하기 위해서는 소재확보와 기술 국산화가 필수적이며, 그 외 기존 시장 대체를 위한 가격 경쟁력 확보가 중요하다. 그래핀은 투명전극 시장에서 크게 활용될 것으로 전망된다. 그래핀의 투명전극 시장규모는 향후 71조 원까지 확대돼 초경량 복합재， 전자인쇄용 소재사업 등에서도 큰 성장을 이룰 것으로 전망된다. 또한, 다양한 인쇄전자용 전도성 잉크, EMI 차폐 및 ESD 제품 등에 적용 가능한 그래핀의 전도적 특성으로 2025년 27억 달러의 소재 시장과 270억 달러 이상의 다양한 부품소재 시장이 창출될 것으로 전망된다(NanoMarket, “Cond-uctive Coating Markets, 2009”, Nanomakets “ESD Products and material : markets and oppor-tunities, 2010" 시장자료). 그래핀 전자파 차폐제 시장은 고가의 도전성 금속을 저가의 그래핀 소재로 대체하는 시장이다. 저가 제품 적용 가능성은 크지만 도전성이 낮다는 한계를 극복하기 위해 그래핀 치환기 최적화, 분산성 확보, 유무기 복합체최적화 등의 기술을 이용해 전기적 특성을 향상시키는 핵심기술 확보가 시급하다.

그래핀 기술 산업화 전망

대외환경 및 국내 R&D 역량을 분석해 보면 그래핀 관련 기초 및 원천기술이 글로벌 수준과 대등하거나 경쟁 우위에 있어, 그래핀 상용화를 위한 기반확립 및 환경조성이 우수한 것으로 보인다. 또한 그래핀 기술을 기반으로 신 산업기반을 조성해 국가 그래핀 기술·산업 기반이 마련될 것으로 전망된다.
이를 통해 글로벌 그래핀 신시장을 선점하고 그래핀 소재에서 완제품까지 가치사슬을 아우르는 그래핀 산업 생태계 조성으로 대·중·소 동반성장 및 새로운 일자리를 창출할 수 있을 것으로 예상된다. 구체적인 예상고용 창출은 2025년 기준 16만 명이며, 그래핀 응용분야 세계시장 규모는 2025년 169조 원 이상으로 성장할 것으로 보인다(그림 4).



이를 위해 원천기술을 확보해 원천 특허 선점, 전방 세트업체 표준화 주도, 글로벌 시장 선도 등의 목표를 이룰 필요가 있다. 또한 소재 단계에서 관련 공정기술 및 장비기술을 확보해 소재 및 장비 국산화를 이뤄 국내 그래핀 분야 기술/인적 자원을 통합 관리해야 한다.