그래핀 활용기술 및 산업동향세미나
- 그래핀 특허, 美 50%에 이어 韓 36% 점유
- 방열소재·경량소재 그래핀은 이미 상용화

2004년 영국 맨체스터 대학원의 Andrea Geim 교수와 Konstantin Novoselov 박사가 스카치테이프를 이용한 단원자층 그래핀 분리로 2010년 노벨 물리학상을 받은 이후로 그래핀은 소재기술분야에서 가장 많은 관심을 받았다. 특히 우리나라는 삼성과 성균관대, KIST 등을 중심으로 다양한 그래핀 연구가 이뤄져, 전 세계에서 그래핀 강국으로 주목받고 있다. 지금 그래핀은 방열소재와 초경량소재 등에 이미 상용화되고, 첨단 반도체 쪽에서도 지속적인 연구에 박차를 가하고 있다. 이에 전자부품연구원은 산업통상자원부와 함께 그래핀 시장의 국제 경쟁력 우위를 위해, ‘그래핀 활용기술 및 산업동향 세미나’를 개최했다.

전자부품연구원과 산업통상자원부는 지난달 10일 전자부품연구원 본원 대강당에서 그래핀 활용기술 및 산업동향 세미나를 개최했다. 한국산업기술진흥원과 기술보증기금, 사단법인 비즈니스아이디어산업협회가 후원한 이번 세미나는 ‘꿈의 소재’라고도 불리는 첨단 탄소소재인 그래핀의 활용과 산업화에 관심을 가진 산·학·연 관계자 100여 명이 참석했다.
당일 세미나는 ㈜동진세미캠 이종찬 박사와 특허법인 5T의 강상윤 변리사, 세종대학교 김근수 교수, 전자부품연구원 양우석 책임연구원이 그래핀 산업의 현재와 미래에 대해 각각의 주제 발표를 했다.

Graphene in Industry
㈜동진세미켐 이종찬 박사는 ‘Why Graphene? In Industry’라는 주제로 현재 산업에서 쓰이는 그래핀의 동향과 앞으로 그래핀의 활용에 대해 설명했다. ㈜동진세미켐은 발포제를 시작으로 반도체, 디스플레이 분야의 재료산업을 하는 회사로 차세대 기술로 염료감응태양전지, 연료전지, 태양전지 전극 등의 에너지분야와 인쇄전자 소재, 터치스크린 패널 소재에 많은 투자를 하고 있다.
이종찬 박사는 내첨형 컴파운드 그래핀과 외첨형 코팅 그래핀 중에, 첨단 반도체 분야에 쓰이는 그래핀 코팅 시트에 대해 발표했다. 그래핀 코팅 시트는 차세대 Nano Carbon Hybrid Materials로 RFID, OPV, TFTs, Flexible Dispay, OLED, Solar Cell의 주 소재로 우수한 물성을 지니고 있으며, 기존의 소재에 비해서 단축된 공정으로 80%의 원가절감을 기대해 기업체들이 많은 관심을 가지고 있다.
2010년부터 본격적으로 연구가 시작된 그래핀은 아직 정식 공정화가 되지 않는데도 1kg당 10만 원 이하 가격으로 거래되고 있다. 다른 탄소기반 소재들과 비교해도 저렴한 편에 속하고, 앞으로 생산기술의 발전에 따라서 더 좋은 가격경쟁력이 기대된다.

현재 전 세계 탄소소재 시장은 약 27조 원으로 대부분 인조흑연과 카본블랙에 치중되고 있다. 2030년에는 전체 145조 원의 시장이 기대되며, 전체 탄소소재 시장의 약 10%를 그래핀이 점유할 것으로 예상한다. 국내에서 사용되는 대부분 탄소소재는 수입에 대부분 의존하기 때문에, 그래핀 시장 확대를 위해서는 소재의 저가화와 공정속도, 재활용문제 해결이 눈앞의 과제이다.

㈜동진세미켐 이종찬 박사의 ‘Why Graphene? In Industry’ 발표

그래핀 특허동향
특허법인 5T의 강상윤 변리사는 ‘그래핀 제조 및 전사의 특허동향’이라는 주제로, 국가별 연도별 동향·주요출원인 및 세부기술 분석·기술발전 및 핵심특허분석 등을 발표했다.
강상윤 변리사의 발표에 따르면, 2000년부터 조금씩 증가한 그래핀 특허출원이 2008년부터 급격히 성장해 2010년에는 전 세계 300여 건의 특허출원이 있었다. 2010년, 한국의 특허출원이 140여 건으로 제일 많았고, 미국이 120여 건, 일본이 40여 건, 유럽이 10여 건 안팎으로 집계됐다. 주요 출원인별 분석으로는 삼성전자가 70여 건, 성균관대학교산학협력단이 40여 건의 순으로 제일 많았고, 다음으로 미국의 Advanced Energy Technology INC.가 30건대 중반의 특허출원을 보였다.
국내 특허청에 출원된 그래핀 특허를 기술별로 살펴보면 CVD 합성법이 180건으로 전체의 58%, 화학적 박리법이 105건으로 34% 그래핀 전사가 26건으로 8%를 차지했다.
CVD 합성법은 삼성전자가 50건대 후반으로 가장 많은 특허출원을 했고, 다음으로 성균관대산학협력단, 삼성테크원, 삼성엘이디의 순으로 대부분의 특허출원이 국내 업체나 연구소였다. 화학적박리법의 경우에는 미국의 Advanced Energy Technology INC.가 30건대 후반으로 가장 많은 특허출원을 했고, 다음으로 미국의 Graftech, Aruna Zhamu의 순으로 미국의 강세가 뚜렷하게 보였다. 그래핀 전사의 경우에는 삼성테크윈과 삼성전자, 성균관대 산학협력단만이 10여 건이 넘는 특허출원을 보이고 다른 곳은 2건 이하의 출원 건수를 보여, 뚜렷한 차이를 보여줬다.
또, 강상윤 변리사는 정량분석 외에도 정성분석을 통해서 무촉매 고체소스를 이용한 CVD에 의한 그래핀 제조기술과 고분자 그래피팅, 두 단계 온도로 진행하는 공정, 전기화학적 방법을 연속/대량 생산 공정 및 대면적 그래핀 제조에 응용하는 분야들

이 아직 특허가 없는 공백기술로 분류했다. 또 분류별 권리범위 및 회피전략 분석을 통해서 권리범위가 넓은 그래핀 전사는 새로운 구성으로 기존 구성을 대체하는 회피전략이 필요하고, 권리범위가 상대적으로 좁은 그래핀 제조는 공정조건이나 조성비의 수치한정을 통한 회피전략이 필요함을 강조했다.

특허법인 5T 강상윤 변리사의 ‘그래핀 제조 및 전사의 특허동향’

 대면적 그래핀의 잠재력
세종대학교 김근수 교수는 ‘대면적 그래핀의 잠재력’이라는 주제로 기본 그래핀 생산과 CVD 기술을 통한 대면적 그래핀의 생산 및 대면적 그래핀 필름의 활용에 대해 발표했다. 김근수 교수는 저가공정의 그래핀 생산으로 2004년 노벨상 수상자인 Andrea Geim 교수와 Konstantin Novoselov 박사의 스카치테이프를 이용한 그래핀 분리와 기계적인 분리, 화학물질의 초음파분해 등의 방법을 설명했고, 대면적과 정규공정의 그래핀 생산법으로 CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학증착법) 기술을 설명했다. 이후 플렉시블 투명전극을 위한 고품질 그래핀의 30인치 R2R생산과 싱글레이어 그래핀, 태양전지의 그래핀 전극, 불순물을 도핑한 그래핀 등의 연구에 대해 설명을 하면서 그래핀의 다양한 활용을 보여줬다. 마지막으로 김근수 교수는 대면적 그래핀 필름이 산업에서 차세대반도체, 투명전극, 에너지 전극, 배리어 소재, 초경량소재, 방열소재 등으로 사용될 것이며, 현재 방열소재로 핸드폰 케이스, 초경량 소재로 테니스 라켓의 넥으로 그래핀이 실제로 산업에 사용되는 예를 들었다.

그래핀 소재 스마트 윈도우

마지막으로 전자부품연구원 양우석 책임연구원은 ‘고효율 열가변성 하이브리드 VO2/graphene 소재 제조 기술’을 주제로 현재 그래핀이 상용화되는 방열분야에 대해 발표했다. 건물 에너지 손실의 45%를 차지하는 유리창을 그래핀을 이용한 스마트 윈도우로 열손실을 줄이는 방법에 대해 설명했다.
그래핀을 이용한 계절별 능동적으로 적외선 투과율 조절이 가능한 고효율 열가변성 하이브리드 소재는 여름에는 실내로 유입되는 열을 반사해 냉방효과를 겨울에는 실내로 유입되는 열을 투과해 난방효과를 나타낸다. 또, 그래핀을 이용한 대면적 열가변 유연필름 제조를 통해 건축물·항공기·스마트 의류·태양전지 등의 다양한 분야에 적용해 에너지 절감이 가능하다.
현재 고단열 창호가 기존 창호 대비 20% 정도 고가이나 정부의 규제에 의해 시장확대가 예상된다. 2015년 국내 1.2조 원의 시장규모를 예상하며, 2008년 10억$의 규모를 보인 세계시장은 2013년 19억$까지 증가할 것으로 예상한다.
EU 에너지 사용의 40%, 미국 CO2 발생의 50%가 건물과 연관이 있다고 나와, 독일·덴마크 등의 유럽국가는 신규건물 단열유리 사용을 법으로 규제하고 있다. 또, 세계적으로 온실가스 감축목표를 설정하고, 건물·수송분야부터 진행한다. 따라서 지속적 녹색건축물 확대 정책에 따라 관련 시장확대와 창호 단열성능 강화 기반의 저에너지 친환경 주택 시장의 지속적 확대를 예상한다.
국내는 2009년 11월 녹색도시·건축물 활성화 방안과 2010년 녹색건축물·교통확대 등의 정책으로 2020년까지 건축물에 의한 온실가스 배출량을 BAU(배출전망치)대비 31% 감축을 목표한다. 세부정책으로 2010년 공공건축물 친환경 인증 의무화, 2012년 신규건축 창호 단열성능 기준 2배 강화, 2013년 모든 건축물 연간 에너지소비량 표시 의무화, 2009~2019년 그린홈 200만 호 보급, 2017년 패시브하우스(에너지 성능 현행대비 60% 이상 개선) 수준의 에너지 성능 확보, 2025년 신규 건축물의 제로에너지 의무화 단계적 추진 등을 실행 및 실행예정에 있어 지속적인 시장 성장을 예측할 수 있다.

이번 세미나에 참석한 업계 담당자는 “그래핀의 동향에 대한 세미나인 만큼, 일회성에 그치지 않고 지속적으로 업계와 세계의 동향을 파악할 수 있는 자리가 마련되기를 바란다.”고 했다.
그래핀은 가볍고, 강하고, 빠른 열전도와 도전성, 강한 내화학성과 내식성이라는 물리적 특성을 가지고 있으며, 저렴한 흑연을 원재료로 간단한 공정을 통해 생산할 수 있어 경제적인 특성도 뛰어나다. 차세대 탄소기반 소재로 전 세계가 주목하는 그래핀, 이 그래핀의 연구가 가장 활발한 곳이 바로 우리나라이다. 지속적인 세미나와 산·학연의 연계로 그래핀 연구의 선두를 유지하며, 빠른 상용화를 이뤄낸다면, 앞으로 20~30년 후 첨단 소재시장의 중심에 우리 대한민국의 기업들이 있을 것이라고 기대된다.

양대규기자 daegyu_yang@naver.com