그래핀 정화: 상용화의 핵심

수년 동안 그래핀은 다양한 수식어를 얻어왔습니다. 일부는 이를 ‘놀라운 경이 물질’이라고 부른 반면, 다른 이들은 ‘검증된 초물질’이라고 명명했습니다. 세계는 10년 넘게 그래핀의 경이로움에 눈을 뜨게 되었습니다.

2012년, Nature는 ‘A roadmap for graphene‘라는 제목의 기사를 게재했으며, 이는 그래핀이 과학계의 눈에 빠르게 부상하는 이유를 자세히 설명했습니다. 연구자들은 그래핀의 특성이 이러한 관심의 이유라고 강조하며 다음과 같이 말했습니다:

“이 한 원자 두께의 탄소 직물은 독특하게도 극한의 기계적 강도, 매우 높은 전자 및 열 전도성, 가스에 대한 불투과성, 그리고 많은 다른 뛰어난 특성을 결합하고 있어, 다양한 응용 분야에 매우 매력적입니다.”

그래핀의 잠재력을 실현하기 위해, 유럽 연합은 10억 유로(또는 13억 달러)를 투자했습니다. 2013년부터 2023년까지 이를 위해 투자했으며, 이 투자는 특히 전자, 에너지, 의료, 건설 등 분야에 적용될 때 그래핀의 변혁적 능력을 확인하는 것을 목표로 했습니다. 이러한 이니셔티브는 긴 연구 흐름의 지원을 받았으며, 2005년부터 2013년 사이에 그래핀에 관한 논문이 8,000편 이상 발표되었습니다.

그 이후로 과학계의 그래핀에 대한 관심은 식지 않았습니다. 이제 연구자들은 그래핀을 더 큰 규모로 상용화할 방법을 모색하고 있습니다. 한 연구에서는 콜롬비아 대학교의 엔지니어 팀이 몬트리올 대학교와 국립표준기술연구소(NIST)와 협력하여 그래핀 정화 가능성을 조사했으며, 이를 대규모 상업적 생산에 적합하도록 만들었습니다.

화학 기상 증착(CVD) 합성 그래핀의 과제 해결

CVD는 ‘스코치 테이프’ 방법과 함께 그래핀 합성의 전통적인 두 방법 중 하나였습니다. 이 방법은 CVD 성장이라고도 하며, 메탄과 같은 탄소 함유 가스를 약 1000 °C의 구리 표면 위로 통과시켜 목표를 달성합니다.

이 과정은 메탄을 분해하여 탄소 원자가 재배열되고 단일 벌집 형태의 그래핀 층을 형성하도록 합니다. ‘스코치 테이프’ 방법에 비해 CVD 성장의 장점은 센티미터에서 미터 규모까지 훨씬 큰 그래핀 샘플을 만들 수 있다는 점입니다. 반면 ‘스코치 테이프’ 방법은 수십 마이크로미터 정도의 매우 작은 그래핀만 생산합니다.

그래핀의 CVD 성장 출력은 ‘스코치 테이프’ 방법의 출력보다 활용도가 높습니다. 그러나 CVD로 합성된 샘플은 재현성 문제와 품질 변동성을 겪습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 산소가 없는 화학 기상 증착(OF-CVD) 방법을 고안했으며, 이를 통해 대규모로 고품질 그래핀 샘플을 만들 수 있게 되었습니다.

이 혁신과 선구적 품질에 대해 콜롬비아 공대 기계공학 와왕 펑젠 교수이자 연구의 선임 저자인 제임스 호네는 다음과 같이 말했습니다:

“성장 과정에서 거의 모든 산소를 제거하는 것이 재현 가능하고 고품질의 CVD 그래핀 합성을 달성하는 핵심임을 보여주었습니다. 이는 대규모 그래핀 생산을 향한 중요한 이정표입니다.”

이 연구는 과학·기술 분야에서 달성한 성과 외에도 학술 협력이 어떻게 작동해야 하는지를 보여주었습니다. 6년 전, 몬트리올의 리처드 마르텔과 피에르 레베스크 공동 저자는 미량의 산소가 성장 속도를 늦추고 그래핀을 부식시킬 수 있음을 밝혔습니다. 그때 마르텔과 레베스크의 발견을 바탕으로, 크리스토퍼 디마르코는 자동화 과정 중 산소 양을 제어할 수 있는 CVD 성장 시스템을 설계·구축했습니다.

현재 연구는 마르텔·레베스크·디마르코의 작업을 이어가며, 현재 박사과정인 싱저우 옌과 제이콥 아몬트리가 CVD 성장 속도가 미량 산소가 제거될 때 훨씬 빨라진다는 것을 발견했습니다. 산소가 없는 CVD 성장 샘플의 품질은 박리된 그래핀과 거의 동일하며, 이는 불순물이 거의 없고 원하는 특성을 방해할 요소가 없습니다.

깨끗하고 순수한 그래핀을 생산하는 것 외에도, 연구진은 가스 압력과 온도 등 다양한 매개변수 범위에서 CVD 성장 속도를 예측할 수 있음을 확인했습니다.

앞으로 연구진은 고품질 그래핀을 금속 성장 촉매에서 실리콘과 같은 기능성 기판으로 깨끗하게 전이하는 방법을 개발하여 그래핀의 가능성을 더욱 확장할 계획입니다. 이는 그래핀의 활용 범위를 크게 넓힐 것입니다.

‘클린’ 그래핀: 상용화의 핵심

그래핀은 초기부터 그 다채로운 특성으로 주목받아 왔습니다. 탄소 원자는 0.3 nm 두께의 육각형 벌집 구조로 완벽히 배열되어 있으며, 각 원자 사이 간격은 0.1 nm에 불과합니다. 이러한 구조적 단순함과 순도 덕분에 그래핀은 여러 뛰어난 특성을 가집니다.

예를 들어, 강도는 강철보다 200배 강하지만 무게는 6배 가볍습니다. 투명도는 거의 완벽에 가까워 빛의 98%를 통과시키고 2%만 흡수합니다. 그래핀은 가스에 대한 불투과성이며, 표면에 화학 물질을 추가함으로써 특성을 변형시킬 수도 있습니다. 프랑스 항공우주 연구소(ONERA)의 애니크 루소는 “미래는 연필 흑연에 있다!”는 슬로건을 만들었습니다.

본질적으로 그래핀은 상용화 준비가 된 상태였습니다. 대규모 도약을 위한 준비가 끝난 것이죠. 그러나 그래핀을 크기를 유지하면서 정화하는 것이 여전히 과제로 남아 있었습니다. 현재 연구는 센티미터에서 미터 규모까지 깨끗한 그래핀을 만들고, 이를 전면적인 상용화에 대비하도록 하는 방법을 제시합니다.

그래핀의 장점이 널리 알려지면서 과학계는 다른 단일층 원소 구조에도 관심을 돌렸습니다. 그 중 주목받은 원소는 붕소이며, 그 단일층은 보로펜(Borophene)이라고 불립니다.

그래핀과 보로펜의 비교

그래핀과 보로펜은 각각 해당 원소의 단일 시트를 구성합니다. 이들은 높은 구조적 강도와 유연성을 가지고 있으며 쉽게 분해되지 않습니다.

몇 가지 차이점도 존재합니다. 예를 들어, 그래핀은 평면 시트와 육각 격자 구조를 가지고 있지만, 보로펜 시트는 약간의 곡률을 가지며 삼각형과 육각형이 서로 다른 배열을 이루는 세 가지 서브동소체가 존재합니다.

우리는 이미 그래핀이 가진 특성에 대해 논의했습니다. 보로펜은 높은 전기 전도도와 ‘a’ 방향의 광학 투명성, 그리고 다양한 새로운 이방성 때문에 광전, 유연 전자, 디스플레이 기술 등에 중요한 요소가 됩니다.

전반적으로 그래핀과 보로펜의 개발은 흥미로운 적용 특성을 가진 다양한 기술 혁신을 시도할 수 있게 만들었습니다.

오늘 논의는 그래핀을 중심으로 진행되며, 우리는 그래핀을 혁신적으로 활용한 기업들을 살펴볼 것입니다. 개별 기업과 그 성과를 살펴보기 전에, 그래핀 플래그십(Graphene Flagship)이라는 선구적인 컨소시엄을 먼저 살펴봐야 합니다. 이 컨소시엄은 그래핀을 활용한 다양한 솔루션을 탐구하는 새로운 지평을 열고 있습니다.

그래핀 플래그십

유럽 연합이 자금을 지원하는 Graphene Flagship는 12개의 연구·혁신 프로젝트와 1개의 조정·지원 프로젝트에 118개의 학계·산업 파트너를 모아, 그래핀 및 기타 2D 소재에 의존하는 기술에서 유럽의 전략적 자율성을 강화하는 것을 목표로 합니다.

지난 10년 동안 그래핀 플래그십은 다수의 이정표를 달성했습니다. 현재까지 가장 중요한 이정표는 그래핀 기반 2D 소재 반도체 통합 프로젝트의 성공이라고 할 수 있습니다.

이 프로젝트는 2020년 10월에 시작되어 그래핀 및 관련 소재(GRM)를 실험실에서 대규모 상업 생산 및 활용 단계로 끌어올리는 것을 목표로 했습니다. 4년 동안 2천만 유로의 예산을 투입해 2D 실험 파일럿 라인(2D‑EPL) 프로젝트는 프로토타이핑, 웨이퍼 제작, 공정 활성화에 집중했습니다.

결과는 매우 고무적이었습니다. 이 프로젝트 덕분에 학계·연구기관·민간 기업은 2D 소재 장치에 대한 새로운 아이디어를 시험하고 프로토타입을 제작할 최초의 기회를 얻었습니다. 이는 다중 프로젝트 웨이퍼(MPW) 실행으로 이어져 저비용·대규모 프로토타입 개발이 가능해졌습니다.

공정 활성화 분야에서 그래핀 플래그십은 Aixtron의 금속유기 화학기상증착(MOCVD) 반응기와 SUSS MicroTec의 자동 2D 레이어 전이 도구 등 두 개의 맞춤형 신규 장비를 구축해 과학 공동체를 지원했습니다. 이러한 장비는 2D 소재 성장 및 레이어 전이 공정을 철저히 테스트하고 조정할 수 있게 하여, 향후 높은 생산 능력을 달성하는 데 필수적입니다.

그래핀 플래그십과 2D‑EPL 프로젝트의 성과에 대해 그래핀 플래그십 디렉터인 파트릭 요한슨은 다음과 같이 말했습니다:

“파일럿 라인은 우리가 모은 하드 데이터와 과학·기술적 진보뿐만 아니라, 어쩌면 더 중요한 개인 간 상호작용을 통해 유럽 내 2D 소재 혁신의 미래를 위한 아이디어 교류의 놀이터를 만들었습니다. 전 세계 그래핀 시장은 연간 매출이 2022년 3억 8천만 달러에서 5년 안에 15억 달러로 급증할 것으로 예상되며, 2D‑EPL과 같은 프로젝트는 유럽이 개발·혁신의 최전선에 머물도록 하는 데 필수적입니다.”

컨소시엄 외에도 개별 기업들이 이 분야에서 눈부신 성과를 내고 있습니다. 아래 섹션에서는 몇몇 기업을 간략히 소개합니다.

#1. NanoXplore

2011년에 설립되어 캐나다 퀘벡 주 몬트리올에 본사를 둔 NanoXplore는 연간 4,000톤 규모의 그래핀 파우더 생산 시설을 모듈식 구조로 설계했습니다. 이 회사는 열가소성 및 열경화성 플라스틱 내 산업 재료 성능을 향상시키는 첨가제로 그래핀 기반 솔루션을 개발·제조하는 데 특화되어 있습니다.

NanoXplore (GRA.TO ) 시설은 폴리올레핀 및 엔지니어드 폴리머에서 그래핀 강화 마스터배치를 만들기 위한 최고 수준의 압출 능력을 보유하고 있습니다. 자체 특허 청정 기술을 통해 NanoXplore는 GrapheneBlack™ 파우더와 그래핀 강화 마스터배치 펠릿 등 다양한 그래핀 기반 솔루션을 고객에게 제공합니다. NanoXplore의 복합재 사업부는 운송, 포장, 전자 및 기타 산업 분야의 고객에게 표준 및 맞춤형 플라스틱·복합재 제품을 제공합니다.

NanoXplore의 Graphene Black은 혼합성 및 제조성의 최적 균형을 갖춘 다목적 그래핀 파우더로, 그래핀의 상업적 타당성을 높이고 플라스틱·폴리머의 특성을 크게 개선합니다.

또한 NanoXplore는 실리콘 기반 리튬 이온 양극에 GrapheneBlack을 추가하여 에너지 용량과 충전 속도를 향상시키는 그래핀 강화 배터리를 개발 중이며, 이는 전기차, 에너지 저장 시스템, 전기 트럭·버스 등에 유용합니다.

최근 재무 보고서에 따르면, NanoXplore는 2024년 3월 31일 종료된 3개월 및 9개월 기간 동안 각각 3,387만 달러와 9,200만 캐나다 달러의 매출을 기록했습니다.

깨끗한 그래핀 파우더 제조에서 좋은 성과를 보인 또 다른 기업은 GMG, 즉 Graphene Manufacturing Group Limited입니다.

#2. Graphene Manufacturing Group Limited

이 회사는 저비용 원료를 활용해 그래핀 파우더를 제조하는 독자적인 생산 공정을 보유한 청정 기술 기업입니다. 이 공정은 ‘고품질·저비용·확장 가능·조정 가능·오염 물질 없는 그래핀’을 생산하여 에너지 절감 및 저장 분야 솔루션 개발에 기여합니다.

구체적으로 GMG의 제품 라인에는 그래핀 강화 난방·환기·공조·냉각(HVAC‑R) 코팅, 윤활제 및 유체가 포함됩니다. 또한 GMG는 그래핀 알루미늄 이온 배터리의 상용화를 추진하고 있으며, 이는 리튬 이온 배터리보다 높은 에너지 밀도를 가질 잠재력이 있습니다.

2024년 3월 31일 종료된 3개월 및 9개월 기간에 대해, GMG는 각각 53,000호주 달러와 212,000호주 달러의 매출을 기록했습니다.

미래의 경이 물질?

그래핀의 획기적인 특성과 기능은 앞으로 더 많은 가능성을 열어줄 것입니다. 그래핀은 전자, 광학, 에너지, 바이오메디컬, 복합재 및 차세대 2D 소재 설계에 활용될 예정입니다.

이러한 2D 소재는 뛰어난 물리·화학적 특성을 제공하여 광전공학, 에너지, 센싱, 복합재 등에서 혁신적인 응용을 가능하게 합니다. 빠르게 성장하기 위한 핵심은 그래핀을 가장 지속 가능하고 저비용으로 활용할 수 있는 방법을 개발하는 것입니다.

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