‘꿈의 신소재’ 그래핀 10년 만에 대량 생산 길 열다

화학연 이제욱 박사팀, 흑연에 전기 흘려 그래핀 벗겨내는 전기화학 박리공정 개발

한국화학연구원 이제욱 책임연구원(우)과 권연주 연구원(좌)이 멀티 전극 시스템으로 생산한 그래핀 용액과 가루를 들고 포즈를 취했다. 두 연구원 뒤에 있는 장치가 차세대 전기화학 박리공정이 적용된 멀티 전극 시스템이다/사진=화학연

한국화학연구원과 국내 중소기업이 꿈의 신소재로 불리는 그래핀을 저렴한 가격으로 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다. 그래핀은 흑연을 한 층만 벗겨낸 것으로 강도와 열 전도성, 전기전도성 등 성능이 매우 뛰어나 꿈의 신소재로 일컬어졌지만 10여 년 간 대량생산의 문턱을 넘지 못했다. 세계적으로 산업용 그래핀 주도권을 차지하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있지만 아직 상용화된 적은 없다.

한국화학연구원 화학공정연구본부 이제욱 박사팀이 ‘차세대 전기화학 박리공정’을 개발하고, 이 공정을 적용한 멀티전극시스템을 만들었다고 19일 밝혔다.

멀티전극시스템은 전해질 용액 수조에 ‘금속 전극-흑연 전극-금속 전극’을 샌드위치처럼 배치한 묶음을 여러 개 담가놓은 장치다. 이 장치는 흑연 전극에 전기를 흘려보내 그래핀을 아주 얇은 층으로 벗겨내는 방식으로, 이렇게 벗겨진 그래핀은 장치 하단의 필터를 통해 용액과 분리돼 가루 형태로 추출된다.

현재 이 장치로 고품질의 그래핀을 1시간이면 생산할 수 있는데, 이는 세계에서 가장 빠른 수준이다. 또 그래핀 1g당 가격도 2000원으로 비교적 저렴해 가격 경쟁력도 갖췄다.

연구팀에 따르면 이 기술은 기존 그래핀 생산을 위한 ‘화학적 합성 공정’보다 생산시간과 가격, 품질 등 모든 면에서 우수하다. 화학적 합성 공정은 흑연을 강산으로 처리해 그래핀을 얻는 방식으로, 현재 주로 연구용으로 사용되고 있다.

이 박사는 “화학적 합성 공정의 경우, 강산 처리로 인해 그래핀의 강도와 열 전도성, 전기전도도 등의 품질이 급격히 떨어지고 나중에 환원처리를 하지만 100% 수준으로 품질이 회복되지 않는다”고 설명했다.

화학연구원은 이번에 개발한 기술을 ㈜엘브스지켐텍에 이전, 연말까지 고품질의 그래핀을 대량 생산한다는 목표로 공동 연구를 수행하고 있다. 현재 엘브스지켐텍의 모회사인 엘브스흑연은 국내 흑연광산의 채굴권을 확보하고 올해부터 본격적인 흑연 채굴에 들어간다. 지금까지 중국 수입에 의존하던 고품질의 흑연을 저렴한 가격으로 대량 공급할 수 있게 된 것. 국내에서 채굴된 흑연으로 산업현장에서 쓰이는 그래핀을 대량 생산하는 건 이번이 처음이다.


대량 생산되는 그래핀은 우선 디스플레이와 스마트폰 등 전자제품의 열을 방출하는 방열부품, 전기자동차의 이차전지에 들어가는 도전재와 전극 등에 적용할 예정이다. 현재 전자제품의 방열 부품에는 흑연 시트가 주로 쓰이는데, 유연성이 떨어지는 탓에 휘어지는 디스플레이 생산의 걸림돌이었다. 하지만 그래핀은 유연성·가공성이 뛰어나 흑연 시트를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

한편 한국산업평가관리원에 따르면 전 세계 그래핀 시장은 900억 달러(약 110조원)로 추정되며, 2025년에는 2400억 달러로 3배 가까이 증가할 전망이다.