▲ 신규순 동진쎄미켐 종합연구소 연구소장이 분산기술로 개발한 그래핀 기반 고방열 마스터 배치를 소개하고 있다..

“그래핀은 개발 역사가 짧고 제품화가 더디지만 탄소 소재 중 가장 발전 가능성이 높은 신소재입니다. 장기적인 안목으로 그래핀의 가능성을 현실화하기 위해 제품화를 차근차근 진행하겠습니다”

연간 7천억원의 매출을 달성하고 있는 전자소재전문 중견기업 동진쎄미켐은 판교에 종합연구소를 두고 회사의 미래 먹거리 발굴을 위한 R&D를 중점 추진하고 있다. 이 종합연구소를 이끌고 있는 신규순 연구소장(CTO)은 그래핀 소재가 가지고 있는 특성에 주목하고 그래핀 연구에 선택·집중한 결과 주요 핵심기술 중 하나인 분산기술을 확보했다.

그래핀은 대량생산시 CNT 등 경쟁소재 대비 가격경쟁력이 충분히 있을 것으로 예상한다. 상업적으로 사용하는 CNT는 대표적으로 열화학기상 증착법을 사용한다. 탄소를 포함한 반응가스(CH₂H₂, CH₄, CO) 등을 금속촉매와 고온에서 반응을 시켜 CNT를 합성하는 방법이다.

그래핀 생산 방법은 강한 기계적 에너지를 사용하여 박리하는 물리적 방식과, 흑연에 황산 등 산화제를 사용하여 화학적 방식으로 생산하는 ‘top-down’ 방식, 금속표면에 메탄과 수소를 흘려 화학기상증착법(CVD)으로 그래핀을 생산하는 ‘bottom-up’ 방식으로 구분할 수 있다.

이 중 가장 간편하고 대량생산에 유리한 방법은 top-down 방식이다. 흑연과 산이 반응하면 탄소에 산소 기능기가 함유된 그라파이트 옥사이드(Graphite Oxide)가 생성되는데 이를 수용액에 분산시킨 후 환원제를 이용해 산소를 떼어내면 그래핀을 대량생산할 수 있다. 그리고 더 간편한 방법으로는 알카리토 금속류, bead mill, ultrasonic 등을 이용한 방법 등이 있는데, 이를 이용하면 더 쉽게 저가격에 제조가 가능하다.

신 소장은 “top-down방식으로 얻어진 그래핀의 성능은, bottom-up 방법으로 제조된 CNT에 비해 약간 떨어지지만, 그래핀이 대량 생산된다면 생산비용은 30% 저렴할 것으로 예상된다”고 밝혔다. 또한 “현재 그래핀 가격이 높은 것은, 그래핀 시장이 존재하지 않아 사용량이 적어 소량으로 생산하고 있다는 점과 생산자가 소수인 점에 의한 것으로, 제품에 적용이 활발해지면 가격이 크게 떨어질 것”이라고 예측했다.

그래핀 성능·발전성 우수, 타 탄소소재 보다 우위

복합재에 대한 인식전환 어려워, 수요기업 협업 활성화 필요

신 소장은 이번 차량 카메라 및 리코더 케이스 개발 성공에 이르기 까지 가장 어려웠던 점에 대해 기술적인 문제 보다는 수요처들의 그래핀과 같은 신소재에 대한 인식이 부족한 점을 꼽았다. 우선 자동차 업계에서는 가장 많이 사용되고 있는 금속소재가 강도, 열전도도, 전기적 특성이 우수하고 플라스틱 소재는 강도가 약한 절연체에 불과하다고 단순하게 생각하고 있는 것이 사실이다.

그러나 지금은 탄소섬유, CNT, 그래핀 등 탄소소재들이 플라스틱과 만나 복합재료로 탄생하면서 금속만큼 강하면서도 정전기와 열을 차폐하는 특성을 가진 가벼운 신소재로 주목받고 있다.

탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 스마트폰, 노트북 등 소형가전제품은 물론 비행기 동체, 자동차 바디, 풍력발전기 블레이드 등 대형 구조체에도 사용되고 있으며 그래핀도 테니스 라켓, 배드민턴 라켓 등 생활용품에 적용되고 있다.

신 소장은 “그래핀 등이 적용된 복합소재는 금속, 플라스틱을 대체할 수 있는 하나의 소재로 인식을 전환하는 것이 필요하다”고 밝혔다. 소재 수요처들 대부분은 지금 사용하는 소재부품도 좋은데 가격차이가 얼마나 난다고 뭐하러 위험을 무릅쓰고 바꿀 이유가 있느냐는 입장이다. 그러나 이번에 그래핀 복합재로 만든 케이스를 접한 수요처들은 부품이 훨씬 가벼워지면서 제작비용도 저렴해졌다는데 놀라면서 그래핀을 다시 보게 됐다고 전했다.

신 소장은 “이번 그래핀 복합소재 개발 성공을 통해 수요처들에게 복합소재의 뛰어난 장점을 알리고 응용제품 확대의 길을 열었다는데 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

또한 “그래핀 복합재가 보수적인 자동차시장에 적용되는데 있어 신뢰성 확보 기간을 고려하면 오랜 시간이 필요할 것”이라며 “이에 기존 소재대비 제조 공정 변경을 최소화하고 특히 개발 제품이 아무리 좋아도 가격은 수요처가 수용할 수 있는 정도가 되어야 한다”고 강조했다.

이는 나노기술 사업화에 있어 뛰어난 기술이 아닌 팔릴 수 있는 기술이 더 중요하다는 의미와 일맥상통한다. 신 소장은 향후 시장변화를 예의주시하며 미리 관련 기술과 양산화 경험을 확보해야 한다고 제언했다.

일례로 자동차산업에서는 소비자들의 편의성 요구와 규제에 따른 전자부품·시스템 등 적용이 확대되면서 이들이 자동차 제조원가에서 차지하는 비중은 현재 20~30% 수준에서 향후 40% 정도로 커질 것으로 예측되고 있다. 이에 따라 열전도, 전자파 차폐 등 특성이 요구되는 소재부품 시장이 크게 성장할 전망이다.

그는 “현재 그래핀에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있지만, 시장에서 파급효과를 나타내는 제품은 향후 수년 뒤에나 나타날 것으로 예상한다”며 “이에 대비해 동진쎄미켐은 그래핀 제품 상용화 기반기술 개발을 선도하는 기업으로 자리매김하기 위해 장기적인 계획을 가지고 움직이고 있다”며 “아직 발견하지 못한 그래핀의 특성과 적용처를 찾기 위해 보다 많은 수요기업들과 협업이 필요하다”고 강조했다.