스크랩 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀(Graphene)

[빛나리]

왜 그래핀인가

전기차 충전 2시간을 10분으로 디지털 혁명 부를 마법의 신소재

문경연 인턴기자·서강대 3년 

둘둘 마는 전자책, 손에 차는 컴퓨터 반도체·에너지·디스플레이 등
다양한 산업 분야 활용 무궁무진 울산의 엔바로테크 첫 생산 앞둬

국내 한 중소기업이 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀(Graphene)의 시범 생산을 앞두고 있다. 주인공은 나노 합성 전문기업인 엔바로테크(대표 구자운). 울산광역시에 있는 엔바로테크는 지난 2월 13일 “하루에 50㎏ 규모의 그래핀을 생산할 수 있는 파일럿 생산라인을 구축했다”고 밝혔다. 엔바로테크는 3월부터 그래핀 시범 생산에 돌입할 계획이다.
   
   그래핀은 인류가 발견한 소재 중 가장 얇고 튼튼한 물질로 손꼽힌다. 강철보다 200배 단단하고, 열전도성은 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 높다. 두께는 머리카락을 1000만번 나눴을 때 나올 수 있는 0.2 나노미터(㎚=10억분의 1m)에 불과하다.
   
   그래핀이 충격에 강한 까닭은 탄소들이 육각형의 벌집 모양을 이루고 있기 때문이다. 육각형의 빈 공간이 완충 역할을 해 받는 힘을 분산시킨다. 더욱이 탄소 위에서 전자들이 자유롭게 움직여 반도체 소재인 실리콘보다 100배 이상 전기전도성도 좋다. 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다. 지난해 10월 영국 맨체스터대학교의 안드레 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 교수는 그래핀의 특성을 발견하고 연구한 공로를 인정받아 노벨물리학상을 공동수상하기도 했다.
   
   
   0.1%만 섞어도 열저항력 30% 향상
   
   산업계가 그래핀 생산에 주목하는 까닭은 그래핀이 반도체를 비롯해 에너지, 디스플레이 등 산업 분야에서 무궁무진한 쓰임새가 있기 때문이다. 그래핀은 다른 물질과도 결합이 쉬워 플라스틱에 0.1%만 섞어도 열 저항력을 30%나 늘릴 수 있다. 가스 불 위에 올릴 수 있는 플라스틱 냄비의 탄생도 가능하다.
   
   그래핀 생산은 단기적으로 국내 석유화학업계에도 큰 반향을 불러올 것이라고 전문가들은 분석한다. 그래핀은 석유화학업체의 주력 상품인 플라스틱, 2차전지, 전도성 잉크 등과 잘 결합하고, 적용이 용이하기 때문이다. 이종훈 울산과학기술대 교수(기계신소재공학과)는 “석유화학 분야에서 그래핀은 거의 산업화에 근접한 수준”이라고 평가했다.
   
   그래핀을 화학제품에 섞으면 월등히 가볍고 유연하면서도 강한 강도를 가진 제품을 만들 수 있다. 예컨대 그래핀을 합성한 자동차 범퍼는 무게가 가볍고, 충격흡수력이나 강도 면에서 기존 범퍼보다 월등하다. 차체 전체에 그래핀을 적용하면 차량 무게를 가볍게 해 연비를 끌어올릴 수도 있다. 우주항공부품 등 고분자 복합재료로도 널리 쓸 수 있다.
   
   전도성 잉크 관련 업체들도 그래핀 생산에 고무돼 있다. 전도성 잉크는 전자회로기판을 구성하는 물질. 전도성 잉크를 기판 위에 판화처럼 찍어내 정교한 회로도를 만들어낸다. 이 전도성 잉크에 그래핀을 합성하면 전도성이 월등해져 연산 속도가 빠른 전자회로를 만들 수 있다. 또 바코드, QR코드, 바이오칩, 위폐 방지 등 응용 분야가 광범위하다.
   
   그래핀은 2차전지 시장에도 큰 영향을 미칠 것으로 전문가들은 분석한다. 휴대폰과 노트북, 전기차는 충전가능한 리튬이온전지를 사용한다. 휴대폰 배터리를 충전하는 데 걸리는 시간은 대개 2시간 남짓이지만 그래핀 전극을 적용하면 충전 시간을 10분 내외로 단축할 수 있다. 2차전지 시장점유율 32%의 국내 업체들로서는 큰 성장 동력을 얻은 셈이다.
   
   
   “극소량은 연필심에서도 추출”
   
   극소량의 그래핀은 우리 주변에서도 쉽게 생산할 수 있다. 연필심에 투명접착테이프(스카치테이프)를 살짝 붙였다 떼면 묻어나오는 것이 바로 그래핀 덩어리다. 연필심이 묻은 투명접착테이프에 다른 투명접착테이프로 20~30번 뗐다 붙였다 하는 단순과정을 반복하면 탄소 한 층으로 이뤄진 그래핀을 얻을 수 있다.
   
   하지만 이 같은 생산법은 극히 비효율적이다. 하루 종일 생산해도 얻을 수 있는 양이 극히 적고 시간도 오래 걸린다. 게다가 그래핀의 크기도 마이크로미터에 불과해 실제 산업계에서 응용하기 어렵다. 화학처리를 이용한 그래핀 생산법은 기술적 난이도가 높아 전세계적으로도 몇몇 신소재 업체들만 연구납품용으로 극소량을 생산하는 데 그쳤다.
   
   엔바로테크는 전자(electron)를 주고받는 ‘화학적 박리법’을 이용해 그래핀을 대량생산한다는 계획이다. 연속공정 기술을 적용해서 그래핀을 계속적으로 제조해 많은 양을 얻을 수 있게 시스템을 구축했다. 엔바로테크 측은 “내년부터 하루에 500㎏의 그래핀을 합성할 수 있는 양산 라인을 구축할 것”이라고 밝혔다.
   
   
   희토류 전쟁서도 ‘우위’ 예상
   

삼성테크윈 같은 국내 굴지의 대기업 계열사들도 그래핀 상용화에 박차를 가하고 있다. 지난해 삼성테크윈과 성균관대 나노과학기술원 홍병희·안종현 교수팀은 세계 최초로 30인치 그래핀을 만들어 업계에 화제가 됐다. 전세계적으로 76.2㎝(30인치) 크기의 대형 그래핀을 만든 연구팀은 그동안 전무하다. 삼성테크윈은 전자기기에 쓰일 수 있는 고품질의 그래핀을 연구 중이다. 고품질 그래핀이 적용된 터치스크린으로는 종이 질감을 최대한 구현할 수 있는 디스플레이를 만들 수 있다. 둘둘 마는 전자책, 손목에 차는 컴퓨터, 구길 수 있는 터치스크린 등 아날로그적 감성을 자극하는 디지털 제품을 만나볼 날이 머지않은 셈이다.
   
   한화그룹 계열의 한화케미칼이 지난 1월 약 300만달러를 들여 미국의 탄소나노소재 전문 연구기업인 XG사이언스의 지분 19%를 확보한 것도 같은 맥락이다. 한화케미칼은 XG사이언스가 중국과 인도 등지에서 생산하는 그래핀의 판매 권리도 함께 획득했다.
   
   희토류 전쟁에서 우리나라가 유리한 고지를 점할 수 있는 가능성도 열렸다는 평가다. 스마트폰과 태블릿PC 등에 사용되는 터치스크린의 주재료는 산화인듐주석(ITO). 산화인듐주석은 72%가량이 중국에 매장돼 있는 것으로 알려졌다. 그래핀은 산화인듐주석을 대체할 수 있는 투명전극으로 이용할 수 있다. 보통 스마트폰 등의 터치스크린은 10만번 이상 누르게 되면 현저히 기능이 떨어진다. 터치스크린을 이루는 인듐에 균열이 가기 때문이다. 그래핀은 산화인듐주석보다 두께, 투명도, 강도 등 모든 면에서 앞선다. 유연한 그래핀으로 터치스크린이나 스마트폰을 만들게 되면 떨어뜨려도 깨지지 않고 손수건처럼 접어가지고 다닐 수도 있다.
   
   더욱이 그래핀은 빛을 98% 이상 투과시킬 정도로 투명하다. 때문에 그래핀이 상용화되면 할리우드 영화 ‘마이너리티 리포트’에서 주인공 톰 크루즈가 쓰던 ‘누드 디스플레이’를 만날 수 있을 것으로 기대된다. ‘착용식 컴퓨터(wearable computer)’의 등장으로 컴퓨터를 입고 다니는 일도 기대할 수 있다.
   
   
   증권가 “그래핀 수혜주 찾아라”
   
   여의도 증권가에서도 그래핀 수혜주 찾기에 들어간 상태다. 신한금융투자, 대우증권 등은 ‘그래핀 테마주’라는 이름을 붙여 삼성테크윈을 비롯 로엔케이, 아이컴포넌트 등 그래핀 관련 소재업체를 추천했다. 이 밖에 삼성전자, LG화학, 한화케미칼, 티씨케이, 동진쎄미켐, 엑사이엔씨 등이 그래핀 수혜주로 꼽힌다.
   
   물론 그래핀 상용화에 대한 회의적 시각을 극복하는 것은 과제다. 전류는 잘 흐르지만 전기의 흐름을 조절하기가 쉽지 않다. 더욱이 전자기기에서는 단순 첨가해 강도를 높이는 화학제품보다 순도가 높은 고품질의 그래핀을 요한다. 이에 일부에서는 “전자 분야에서 완전히 상용화되기 위해서는 5~10년 정도 더 필요하다”란 시기상조론을 펼친다.
   
   이종훈 울산과학기술대 교수는 “반도체 분야는 이제 막 시작했지만 대세는 전자기기의 ‘예쁜 것’ ‘빠른 것’을 찾기 때문에 금방 상용화가 이뤄졌다”라며 “실리콘이 반도체에 널리 쓰이기까지 30년이 걸렸지만 그래핀은 10년이면 가능할 것”라고 말했다.