한 마디로 그래핀은 구리보다 전류가 150배 더 잘 흐르고 강철보다 200배 강하다는 것이 큰 강점이다. 탄소원자들이 6각형의 벌집구조로 배열된 2차원의 원자막인 그래핀은 생산방식과 산업적 용도로 구분해 ▲그래핀 플레이크 ▲CVD(화학기상증착법) 그래핀으로 나눌 수 있다.
그래핀 플레이크는 흑연 결정에서 그래핀을 박리(한 개의 재료가 다른 재료와의 경계면으로부터 분리되는 것)하는 방법으로 생산된다. 무엇보다 저렴한 비용으로 대량생산이 가능하다는 점이 장점이며 복합재료·방열소재·전자파 차폐 등에 응용된다.
CVD 그래핀은 고온에서 탄소를 가스화해 금속 표면에 증착시키는 방법으로 생산된다. 대면적 그래핀 제작이 가능해 투명전극, 차세대 전자소자, 에너지용 전극 소재 등에 활용된다.
특허와 관련된 측면에서 살펴보면 한국은 CVD(화학기상증착법) 그래핀 세계 1위, 그래핀 플레이크 세계 2위로 기록될 정도로 그래핀 분야 선진국이다.
여기에 각종 디스플레이와 휴대폰, 2차전지 등 수요 기반도 충분하다는 평가다. 이미 저품질의 그래핀을 활용한 인쇄전자용 잉크와 같은 신시장도 형성됐다.
고품질 그래핀 생산의 숙제
그런데 문제가 있다. 우리나라는 그래핀 연구로 세계 정상급의 기술력과 각종 디스플레이와 휴대폰, 2차전지 등 수요 기반도 충분하다. 이미 저 품질의 그래핀을 활용한 인쇄전자용 잉크와 같은 신시장도 형성됐다.
하지만 고품질의 그래핀을 싼 값에 대량 생산하는 기술은 확보하지 못했다. 휘는 디스플레이, 차세대 배터리 등 미래 먹거리가 될 만한 고부가가치 시장을 선점하기 위해서는 고품질 그래핀을 대량 생산하는 기술을 반드시 확보해야 한다는 숙제가 놓여 있다.
그래핀 플레이크에서는 고품질·균일성을 가진 단일 또는 수 층의 그래핀을 저가격에 양산할 수 있는 기술 개발이 시급하다. 아울러 CVD 그래핀에서는 두께·균일성·크기·전사시 품질저하 같은 품질 관련 문제 및 낮은 합성 속도와 공정의 단순화 같은 난제가 많다.
전문가들은 CVD 그래핀 양산화를 위한 핵심적인 기술이 확보되지 않은 상태에서 분야별로 시장 형성에는 최소 3년에서 10년의 시간 소요 예상될 것으로 예상하고 있다.
아울러 촉망 받는 신소재로 제조 및 응용에 많은 국내 기업의 투자의향이 있고 사업화 연구개발을 추진 중이지만 시장초기 단계에서의 불확실성과 위험성으로 본격적인 사업화 투자는 아직 미흡하다.
또한 나노미터 수준의 크기를 갖는 그래핀은 약간의 크기 및 두께 변화에 의해서도 물질특성이 크게 변화하는 특징이 있는 만큼 상용화를 위해서는 응용소재별 규격 설정과 신뢰성 평가기술 개발이 필수적이다.
원소재 제조개발 투자 뒤따라야
현재 국내에서는 그래핀 관련 정부 R&D 투자규모가 급격히 증가하는 가운데 있다. 하지만 응용분야 기술에 집중돼 있어 원소재 제조개발에 대한 투자는 상대적으로 미흡하다.
때문에 정부는 전기적 특성이 우수해 각종 소재에 활용할 수 있고 고품질의 대량 생산이 가능한 화학증착식(CVD) 그래핀 등을 집중 지원하기로 했다. 아울러 그래핀 품질 수준을 끌어올리기 위해 소재별 규격을 설정하고 품질 기준과 평가 기술을 도입하기로 했다.
또 전자파 차폐용 필름, 터치패널용 필름 등 시장성이 큰 6대 응용제품을 선정해 조기 상용화한다는 방침도 세웠다.
이를 통해 2017년 전자파차폐용 필름 분야에서 첫 매출을 발생시키는 것을 목표로 하면서 2020년까지 그래핀 관련 핵심기술 85개를 확보한다는 전략이다.
특히 CVD 그래핀 관련 정부 투자 방향은 장기적인 관점에서 새로운 산업 창출을 위한 차세대 전자소자 원천기술 개발이며, 이에 따라 절반이 넘는 R&D 자금이 차세대 전자 소자 분야에 집중하고 있다.
주요 분야별로 보면 총 92개의 과제 가운데 차세대 전자소자 (54%), 투명전극(9%), 에너지용 전극소재(9%), 복합응용(9%), 센서 시스템(7%) 순으로 응용분야가 93%를 차지한다.
그래핀 사업의 고민거리
현재 그래핀 사업과 관련한 당면과제는 그래핀 제조기술 확보를 통한 원소재 공급체계 구축 필요성과 함께 그래핀 응용제품의 전략적 사업화를 통한 세계 시장선점, 그래핀 산업경쟁력 향상을 위한 효율적인 R&D 투자체계가 이뤄져야 한다는 점이다.
현재 그래핀을 대하는 시선들은 대체적으로 긍정적이지만 부정적인 측면도 없지 않다. 어떤 분야에서 무조건 그래핀을 써야 한다는 식의 수요가 없다는 것이 그것이다.
한 마디로 그래핀을 쓰면 더 좋아질 것 같다는 정도의 예측만 있는 상황에서 어렵게 그래핀을 만들어도 팔 곳이 없는 일이 벌어질 수 있다는 지적이다. 그 점을 염두에 두고 그래핀에 대한 투자를 늘릴지 말지를 고민해야 할 시점이라는 것도 유의해야 한다.
그러나 정부는 그래핀 산업이 순조롭게 성장하면 한국은 2025년 그래핀 분야에서 19조원의 매출을 올리고, 5만 2,000개의 일자리를 만들 수 있을 것으로 전망하고 있다.
미래 먹거리로 손색이 없는 만큼 그래핀 산업 생태계 조기 구축을 위해 學硏의 과제를 기업의 생산 공정과 연결해 산업계 요구에 부응해 나가야 한다.
