꿈★의 신소재 ‘그래핀’

그래핀 테마주, SSCP·아이컴포넌트·상보,
로엔케이·동진쎄미켐 ‘상한가’

그래핀은 연구비 부족을 불평하는 대학원생들에게 좋은 교보재가 되곤 한다. 그래핀으로 노벨상을 받은 맨체스터大가임 박사 연구팀은 3M 스카치 테이프와 연필심 가루만으로 그래핀을 2004년 최초로 추출했다. 연필로 평평한 판을 시커멓게 만들고 스카치 테이프를 땠다 붙였다하면 그래핀 입자가 묻어나온다. 물론 부단한 인내심이 요구되지만 그래핀 추출 비용의 저렴함과 단순함은 단연 노벨상감이다. 교수들이 불평하는 학생들에게 무어라 말할지 굳이 설명 듣지 않아도 무슨 내용일지 쉽게 알 수 있다.


▲천하장사 그래핀!
그래핀은 아주 단순히 추출되지만 물성은 타의추종을 불허한다. 강도는 강철의 100배 수준으로 다이아몬드와 유사하다 열전도율은 다이아몬드의 5배다. 허용전류밀도는 구리의 1000배다. 그러면서도 세상에 존재하는 가장 얇은 물질이다. 얼마나 얇을까? 그래핀은 탄소 원자 1개 층으로 이뤄졌다.

음…. 아직 와닿지 않는다. 그럼 그래핀을 어디에 응용할 수 있는지 알아보자. 그래핀으로 만들 수 있는 가장 멋진 발명품은 ‘휴대용 전자신문’이다. 상상해보자! 투명 필름판을 신문지처럼 둘둘 말고 다니다가 보고 싶은 전자신문 콘텐츠가 있으면 다운로드 받아 종이신문처럼 펼쳐보는 일상을! 몇 번을 접었다 폈다해도 수명과 성능에 지장없다. 그뿐만 아니다. 얇은 비닐판처럼 보이는데 휴대폰 화상이 떠오른다. 그리고 전화를 건다. 손목에 감으니 시계 화상이 떠오른다. 디자인은 자기가 선택하기 나름이다. 이내 얇은 비닐판은 손목시계가 됐다. 결코 꿈이 아니다. 그래핀은 미래의 일상을 가능하게 만드는 꿈의 신.소.재.이다.

보다 전문적으로 들어가보자. 처음에 말했던 그래핀의 강력한 물성 때문에 만들 수 있는 것이 많다.  우선 그래핀은 슈퍼캐패시터의 재료로 쓰일 수 있다. 슈퍼캐패시터는 현재 이차전지 시장을 지배하는 리튬이온전지의 유력한 대체품이다. 리튬이온전지보다 저항이 낮으면서도 출력밀도가 높고 충방전 회수가 많아 수명이 길다. 그래핀은 구리보다 1000배나 빨리 전류를 흘려보낼수 있으면서도 강도는 강철의 5배나 되기 때문에 슈퍼캐패시터의 음극재로 쓰여 수명을 늘릴 수 있다. 美나노텍에서 기존 제품의 5배 정도 전기 저장용량을 지난 슈퍼캐패시터가 상용화되고 있다. 특히 이 제품은 수명이 무제한이라고 알려졌다.

리튬이온전지의 음극재로도 쓰일수 있다. 현재 리튬이온전지의 음극재로 흑연이 가장 많이 쓰이는데 1000번만 쓰면 못쓰게 된다. 이미 美Vorbeck Materials은 충전시간을 2시간에서 10분으로 단축한 그래핀 응용 이차전지를 개발하고 있다.  그래핀은 스마트 윈도우의 좋은 소재이다. 커튼을 열고 닫을 필요없이 창문을 어둡게해 햇빛을 가릴 수 있다면 얼마나 편리할까? 그래핀 투명전극과 액정을 활용하면 창문을 불투명 혹은 투명하게 만들 수 있다. 英캠브리지 대학교가 개발 중 이다. IBM은 그래핀으로 초고속 광소자를 만들어 500GHz이상의 고주파 광통신을 가능하게 만들었다. 근거리 데이터 무선통신도 초당 100GB의 데이터를 무선통신으로 송신할 수 있다.

포스텍의 김태우 교수, 성균관대 안종현 교수, 서울대 홍병희 교수는 OLED 디스플레이의 투명전극을 그래핀으로 대체했다. 그래핀 전극을 사용한 OLED는 일반 백열등의 8배의 성능을 자랑한다.  우수한 열전도성을 이용해 그래핀 투명히터도 가능하다. 현대자동차는 그래핀 필름을 4층으로 겹쳐 시험용 투명히터 샘플을 만들었다. 투명히터가 차량 유리에 부착된다면 열선 없이도 쉽게 성에를 제거할 수 있다. 역으로 방열분야에도 그래핀이 적용될 수 있다. 그래핀 방열소재는 그래핀을 응용한 최초의 상용재품이다. 손 안의 휴대폰이 늘 시원한 감촉을 주는 알리바바의 휴대폰 쿨패드, 스마트폰 방열 기능성패드 등이 있다.

▲그래핀 만드는 가지가지 방법
그래핀은 한가지 방법으로 제조되지 않는다. 3M 스카치 필름으로 흑연가루를 묻혀내는 방식은 그래핀 제조의 한가지 방법으로 ‘물리적 박리’라고 불린다. 물리적 박리법은 고품질의 그래핀을 얻을 수 있지만 수작업에 의존해 불편하다.  슈퍼캐패시터를 만드는 방법은 산화과정이 없는 화학적 박리법이다. 제법 규모있게 그래핀을 생산할 수 있지만 품질이 낮은 단점이 있다.

산화과정이 있는 화학적 박리법으로 생산한 그래핀은 다양하게 응용할 수 있는 장점이 있다. 자동차용 범퍼 등을 만들 수 있다. 2007년 루체大가 개발했지만 산화제를 이용해 박리해 전기적 성질이 떨어진다.  그래핀 시트를 만드는 방법은 화화적 증착법(CVD)라는 방식이다. MIT와 텍사스大, 우리나라의 성균관대와 삼성테크윈이 개발했으며 유연한 투명 전극 제조에 사용된다. 고품질이기는 하지만 대량생산 여부는 두고 봐야 알 수 있다.  그래핀 제조법이 중요한 이유는 그래핀의 용도가 계속 ‘발견’되고 있고 경제성을 갖추는 일도 중요하기 때문이다.

▲그래핀의 미래와 그래핀 테마주
그래핀의 본격 상용화 시기는 2015년경이다. 그래핀이 2030년 형성할 것으로 예측되는 시장 규모는 무려 6000억 달러에 이른다. 따라서 세계 각국은 '전쟁'이라 불릴만큼 치열하게 그래핀을 연구개발하고 있다. 지식경제부 R&D전략기획단에 따르면 유럽연합은 내년부터 10년간 그래핀 상용화에 10억 유로(한화 약 1조 5000억원)를 쏟아붓는다. 미국 역시 국가과학재단 주도로 최근 5년간 3조2000억원을 지원했으며 영국, 덴마크, 스웨덴, 싱가포르, 일본 등도 앞다퉈 연구자 영입과 R&D확대에 총력을 기울이고 있다.

지경부는 지난달 11일 미래산업선도기술개발 사업자로 LG디스플레이·아바코·피엑스디 컨소시엄(투명플렉시블 디스플레이), 현대중공업·대우조선해양·GS건설·Khan 컨소시엄(심해자원용 해양플랜트), 삼성전자·주성엔지니어링·LG디스플레이·하이쎌 컨소시엄(인쇄전자)을 각각 선정했다.  기업들의 그래핀에 대한 열정도 대단하다. 이른바 그래핀 테마주라고 불리는 기업들로는 SSCP, 아이컴포넌트, 상보, 로엔케이, 동진쎄미켐 등이 있다. 이들 종목군들은 플렉시블 디스플레이 관련주이기도 하다.

SSCP는 지난달 17일 그래핀과 에어로젤을 활용, 초단열 열 확산 제품을 개발했다. SSCP 관계자는 “ 들 제품의 글로벌 특허 검증을 마치고 내달 양산에 돌입한다”고 밝혔다. 이 제품은 그래핀으로 열 전달을 극대화하고 에어로젤로 열 전달을 차단해 PCB모듈로부터 발생된 열이 디스플레이 패널로 전달되는 것을 방지한다.상보는 2008년 세계 최초로 복합시트를 개발해 LGD·AUO·샤프 등으로 납품하면서 고성장을 해왔다.  탄소나노튜브(CNT)와 그래핀의 내년 상용화를 목표로 양산 계획을 세웠다.

한국전기연구원으로부터 기술 이전을 받은 CNT는 여전히 투명전극필름(ITO) 대비 저항값과 투과율이 낮으나 높은 가격경쟁력을 확보하고 있다고 평가 받는다.  아이컴포넌트는 디스플레이용 광학필름 전문업체로 삼성전자의 협력업체다. 최근 삼성전자가 올해 10월 휘는 디스플레이 기술을 적용한 갤럭시2 출시를 발표하자 주가가 동반상승 중이다.  로엔케이는 6월 1일 일본 미와테크사와 ILS 478억원, AMI 65억원 등 총 543억원 규모의 공급 계약을 체결했다. 계약물품인 ILS는 LG유플러스에서 제조한 것으로 로엔케이가 영업을 통해 미와테크사에 납품했다.

동진쎄미켐은 LG디스플레이가 총괄하는 미래산업선도기술개발사업 ‘투명플렉시블 디스플레이’ 컨소시엄 참여할 예정이다. LG화학, LG하우시스, 코오롱, LG전자, 코텍, 한국과학기술원, 부산대학교, 한국전자통신연구원, 전자부품연구원 등과 함께 참여한다.