[그래핀이 길이다] 그래핀, 산업에 21세기를 부여하다

발행일 : 2020-10-20 11:35

그래핀은 2004년 첫 발견과 함께 꾸준히 언급돼온 새로운 산업소재다. 최근에는 단층(Single lalyer)그래핀(1층)·이중층(Bilayer) 그래핀(2층)·다층(Few layer) 그래핀(3~10층) 등 국제표준 ISO 인증과 한국기초과학지원연구원(KBSI) 이하진 박사(서울서부 센터장)가 개발한 '플레이크 그래핀의 전기적 특성 평가법'의 국제전기기술위원회(IEC) 국제표준 채택 등 그래핀 관련 표준 가이드라인이 수립되기 시작하면서 그 응용연구도 가속화되고 있다.

하지만 산업계는 물론 대중에게는 전자부품과 배터리 등에 집중된 활용가치와 그에 따른 지지부진한 발전흐름만 비쳐진 탓에, 그래핀의 상용화 수준에 대한 회의적인 논의가 많다. 특별기획 '그래핀이 길이다'는 선도적으로 추진 중인 그래핀 응용기술의 실사례와 함께, 점차 발전가속도를 내는 그래핀 연구와 업계 내외의 분위기를 살펴보고자 한다. -편집자주-

◇그래핀, 플라스틱 이상의 혁신 가져오다

소재산업은 단순한 구성재질의 변화뿐만 아니라 이를 응용한 사회경제 전반에 혁신을 불러일으키는 밑바탕이다.

구·신석기, 청동기, 철기 등 소재의 변화와 함께 제품 자체의 활용성과 가치도 다양하게 확대됨은 물론, 이에 따른 인간의 삶도 다양한 측면으로 고도화돼왔다.

특히 20세기 발명된 플라스틱은 소재 자체가 지닌 경도와 유연성 등을 바탕으로 산업과 사회경제 전반의 다양한 수요를 충족함과 동시에, 자연 원재료의 물성에 집중한 산업패러다임에 복합과 응용이라는 방향성을 제시하면서 인간생활의 혁신을 불러일으켰다.

사진=The rise of graphene(A. K. Geim & K. S. Novoselov, 2007) 발췌

그래핀은 이러한 플라스틱의 혁신성을 새롭게 불러일으킬 소재로 평가받고 있다. 미세 원자구조 자체를 활용하는 것은 물론, 탄소섬유부터 고무, 시멘트, 섬유, 원단 등에 이르기까지 현 산업소재들과의 융복합을 통해 기존 산물들의 물성을 획기적으로 끌어올림은 물론 관련 응용기술까지 더욱 광범위하게 이끌어낼 것으로 기대를 모으고 있다.

이러한 융복합소재로서 그래핀의 가치는 각 분야의 상용화 노력과 함께 점차 현실로 나타나고 있다. 특히 디스플레이나 배터리 등 다소 거리감이 있어 보이는 신 산업군에서의 연구단계뿐만 아니라, 대중생활과 밀접한 산업분야에서의 결과물들이 잇따라 등장하기 시작하면서, 그래핀을 통한 산업혁신도 점차 가시화되고 있다.

◇첨단분야, 그래핀 만나 커다란 날개짓

우선 그래핀과 일상 산업소재와의 만남은 첨단소재와 신 산업분야 연구에서 두드러진다. 탄소섬유 활용 제품 및 산업은 그래핀 소재의 융복합을 가장 적극적으로 추진하는 분야로, 가시적인 성과도 가장 기대된다.

현재 비행기·스포츠카 등의 제조에는 성능과 연비효율 향상을 위한 경량화와 안전성 확보를 위한 강도향상을 목적으로 탄소섬유가 쓰인다. 그런데 탄소섬유가 지닌 물성의 한계에 따라 경량화 및 강도확보를 위한 추가적인 노력이 상당히 난항을 겪고 있으며 비용도 천문학적인 수준으로 지출되고 있다.

이런 상황 속에서 그래핀은 탄소섬유 활용분야에 새로운 방향성을 열고 있다. 보잉사는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)을 적용한 최초의 상용여객기 787 Dreamliner를 개발해 괄목할만한 경량화와 연비절감을 이룩하여 업계의 혁신이라 평가 받은 바가 있다.

국내 그래핀 제조기업 '스탠다드그래핀'사가 연구 개발 중인 그래핀 탄소섬유강화플라스틱은 기존 제품 대비 24.7%의 강도향상과 함께, 높은 전기전도율을 바탕으로 피뢰소재인 금속와이어 삽입 등 다양한 문제를 해결할 수 있는 것으로 확인됨에 따라, 향후 탄소섬유 기반의 첨단소재 산업에 또 한 번의 혁신을 불러일으킬 것을 예고하고 있다.

또한 4차 산업의 핵심 중 하나로 꼽히는 3D프린터에도 그래핀 적용연구가 일정 성과를 내고 있다. 단순히 모양만이 아닌 실제 기능구현을 위한 물성확보가 절대적인 3D프린터 분야는 그래핀을 더한 필라멘트(잉크) 연구와 함께 그 발전 가능성을 높여가고 있는 모습이다.

국내 스탠다드그래핀과 미국 자동차업체 M사는 자율 주행 및 3D프린팅 기반 자동차 생산을 목표로 그래핀 3D잉크를 연구, 실제 영 계수(Young’s Modulus) 및 인장강도가 두 배 이상 향상된 필라멘트를 개발함으로써 그 가능성을 현실화하고 있다.

최백범 스탠다드그래핀 이사는 "수년 전 미국 사우스캐롤라이나 찰스톤에 위치한 보잉 787 공장을 방문했었다. 여객기로서 안정성 확보를 위해 CFRP를 여러겹 겹쳐 사용, 외벽두께가 상당한 것을 확인했다"라며 "그래핀이 본격적으로 첨단소재에 활용될 시 현재 한계에 다다른 지점에서 추가적으로 두자릿 수 퍼센트 이상의 경량화가 충분히 가능하다"고 기대감을 전했다.

◇일상 산업소재, 그래핀 통해 21세기 산업을 보다

첨단 분야뿐만 아니라 전통적인 산업소재로서의 그래핀의 활용도 가시화되고 있다. 플라스틱은 20세기를 상징하는 혁신소재지만, 환경파괴 주체 중 하나로서 부각되면서 새로운 혁신을 요구하는 소재기도 하다.

이에 자연 상태에서 부패되는 친환경 플라스틱을 연구, 상용화 단계를 밟고 있으나 물성이 안정적이지 않은 탓에 사용분야는 다소 제한적이다. 이런 상황에 그래핀의 등장은 플라스틱 소재의 새로운 혁신을 유도할 것을 가늠케 한다.

기본적인 강도가 높은 플레이크 그래핀을 더한 친환경 플라스틱은 일상적인 폴리머 플라스틱을 대체할 만큼 안정적인 물성을 나타내고 있다. 실제 스탠다드그래핀의 제품이 적용된 PU폼은 기존 대비 130% 향상된 압축강도와 28% 이상의 소음차단율 상승효과를 갖고 있다. 또한 기존까지는 존재치 않던 전자기파 차폐효과까지 추가로 부여됨에 따라 그 활용가능성도 더욱 넓어질 것을 기대케 한다.

건물의 기본이 되는 시멘트 자재에도 그래핀 도입 성과가 점차 현실로 나타나고 있다. 2018년 학술지 ‘Elsevier’에 발표된 이스라엘 벤구리온 대학과 스탠다드그래핀이 연구논문에 따르면 0.05wt% 이하의 극소량이 첨가된 그래핀 시멘트는 일반 시멘트 대비 압축강도와 유연성이 각각 30%, 66% 개선되는 모습을 보인다.

이는 시멘트 사용량의 감소와 함께, 더욱 우수한 강도와 내진성을 갖춘 건축물의 설계를 이끌어낼 수 있을 것을 기대케 한다.

이렇듯 그래핀은 20세기 산업혁신을 일으킨 다양한 소재들에게 새로운 세기를 열어주는 새로운 소재로서, 상당수준의 연구와 함께 다방면에서 현실 활용 범위로 다가와 있다.

박영빈 유니스트 기계공학과 교수는 “그래핀을 포함한 탄소나소노재는 한때 낮은 분산성과 계면제어 및 배향의 어려움으로 열·전기 전도, 전자파 및 가스 차폐 등 기능적인 연구대상으로만 다뤄져왔다. 그러나 최근 제조공정 안정화를 통한 그래핀의 분산·배향과 사이즈(비표면적) 및 계면 제어 등이 가능해지면서, 그래핀 첨가를 통한 고분자 및 CFRP의 기계적 물성 향상 연구가 속도를 내고 있다"라고 말했다.

이어 박 교수는 "고분자 기지재는 물론 탄소섬유 표현에 그래핀을 개질하면서, 섬유-고분자간 계면결합력의 극대화는 물론 CFRP의 기계적 물성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대를 모으는 바, 첨단소재 부문에 있어서 필요한 경량화와 공정비용 절감 등의 수요가 충족될 것으로 예상된다”라고 말했다.

전자신문인터넷 박동선 기자 (dspark@etnews.com)