신소재로 각광받는 그래핀

최근 3월 9일부터 3일간 '프리뷰 인 대구'에서 원사, 염색, 신소재 직물 등을 주재로 행사를 진행하였다. 326개 업체가 참여하여 그들의 기술과 개발 분야에 적합한 창의성을 보여주었다. 의류 회사는 의류에 맞게 발열과 보온에 소재를 응용하였고, 그 밖의 탄소 섬유, 해수담수에 필요한 융합섬유 또한 선보이기도 했다. 이번 행사에 ‘박근혜’ 대통령도 참관해 점차 발달하는 섬유산업에 대해 관심 가지며 돌아보며 좋은 성장성을 평가하였다. 국내 외로 많은 기업들이 신소재 산업에 대해 관심을 가지며 이를 통해 앞으로의 재생에너지 산업에서 소재 분야의 발전도 기대할 수 있다.

화석연료나 우라늄과 달리 고갈되지 않기 때문에 지속적으로 이용할 수 있는 에너지의 총 명칭을 재생에너지라 정의한다. 재생에너지는 태양, 바이오매스, 풍력, 폐기물 등의 8분야 재생에너지로 지정되어 있다. 아직은 운영 부분과 비용 부분에서 낮은 이용률을 보이고 에너지 산업은 무엇보다 효율성이 기술의 핵심이라 본다. 현재 효율성 극대를 위해 국내에서는 탄소 섬유의 일종인 그래핀 연구를 몇몇 연구소에서 진행 중이다. 2010년 노벨물리학상을 수상한 신소재로, 그래핀은(Graphene) 현재 가장 얇은 물질로 알려져 있다. 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르고, 강철보다 200배 이상 강한 강도, 열 전도성 등 많은 부분에서 우수한 특성을 보여주어 좋은 평가를 받는 그래핀. 그래핀을 재생에너지 산업에서의 이용을 분석해본다.

 

그래핀이 주목받는 이유

2004년 영국 맨체스터 대학 안드레이 가임 교수와 연구원이 연필심을 ‘스카치 테이프’에 붙였다 떼어다를 반복하면서 발견되었다. 벌집모양의 육각형의 그물로 배열되어 있고, 탄소 원자 하나하나가 이웃 전자와 한 쌍의 공유결합을 통해 물리적, 화학적으로 안정성을 가지며, 참여하지 않는 다른 전자들은 그래핀 내에서 이동이 용이하여 좋은 신축성을 나타낸다. 또한, 가시광 영역 98%의 빛을 통과니 투명하여 디스플레이 연구에도 활용되는 것이다. 현재 디스플레이의 액정은 ITO(산화 인듐 주석)을 많이 이용하고 있는데 2%의 휨에도 전기전도성을 잃어버리기에 구부릴 수가 없다. 반면 생산성은 아직 떨어지나 구부림이 가능한 디스플레이 개발을 현재 기대할 수 있는 것이다.

<출처:http://www.think-tank.co.kr/172>

신재생에너지 분야에서 태양전지에 또한 많은 개발을 거듭하고 있다. 국내에서는 수력, 풍력, 조력과 같은 에너지산업보다 상품성이 좋지만 단가가 비싸 태양전지는 효율과 함께 생산단가 절감이 필요한 부분이다. 대부분 태양전지의 모듈은 단결정, 다결정 실리콘을 이용하는데, 효율성은 단결정 패널이 좋으나 제작을 위해 고온의 열이 요구되고 이를 단결정 덩어리(잉곳)로 만들게 되며 다시 얇은 반도체 웨이퍼로 자르는 것도 가격 면에서 천차만별이다. 무엇보다 그래핀의 상용화로 대체할 시에는 가격 면과 함께 전자의 이동속도가 빨라 반도체의 성능을 결정짓게 된다. 한국생산기술연구원의 자료에 따르면 그래핀 반도체 시장이 2030년 50조 원 규모를 기록할 것으로 예상한다. 따라서 디스플레이, 반도체 시장만을 통해서도 현재의 ‘꿈의 신소재’라는 언급이 이해가 된다.

다음은, 군용 및 차량 시설이다. 거미줄보다 질기고 강한 그래핀을 통해 현재 방탄조끼로 사용되는 ‘케블라’보다 우수한 성질을 띤다. 가볍고 변형이 안 되는 방탄복의 소재로 적합하다. 메사추세츠대 기계공학 이재황 교수는 2014년 이산화규소 탄환을 초음속 발사 실험에서 철보다 방탄효과가 10배 좋음을 보였고, 운동 에너지가 그래핀의 전역에 분산되며 충격을 완화 시킨 것을 보였다.

<http://www.dongascience.com/news/view/5580>

항공분야에서도 회전익의 로터나 고정익의 동체에서는 비행 중 공기의 제빙이 있을 수 있다. 텍사스 라이스 대학의 과학자들은 전류를 통해 열로써 얼음을 녹이는 그래핀 코팅을 이용하여 실험에서 로터블레이드 앞 가장자리에 금속 보호 슬리브 코팅에 붙차 후 전류를 통해 200 화씨의 합성 온도를 가열했다. 더욱이 연구가 진행된다면 앞으로의 항공 안전에도 기여할 수 있는 부분이다.

<http://news.rice.edu/2016/01/25/graphene-composite-may-keep-wings-ice-free-2/>

그래핀 생산 방법.

 

현재 알려진 그래핀 생산법은 박리법, 증착법, 합성법이 있으며 세부적으로 기계적 박리법, 화학적 박리법, 화학 증기 증착법, 에피택시 합성법, 유기 합성법으로 나뉜다. 기계적 박리법은 반데르왈스 결합으로 이루어진 흑연 층을 스카치 테이프로 하여 끊어내고 얻는 방법이나 원하는 사이즈를 얻어내는데 제약이 있어 사용 측면에서 제약이 된다. 가장 많이 이용하는 방법으로는 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition method),

<http://mslab.polymer.pusan.ac.kr/polymer/sub7/sub7_17.html>

탄소에 대해 용해도가 낮은 구리 박막 등의 금속을 촉매로 하여 니켈 위에 탄소를 증착시키는 방법으로 국내 성균관대학교에서 세계 처음 도입한 공정법이며, 고온에서 탄소와 합금을 잘 형성하고 흡착하는 전이금속을 이용하여 그래핀을 합성하는 방법이다. 1000도 이상의 고온에 조절하고 메탄, 아르곤 등의 혼합 가스를 주입하여 탄소가 촉매 층에 증착되도록 한다. 1,000도 이상의 비용, 시간이 요구되며 전사과정에서 그래핀이 구겨지는 손상 문제가 있고, 저가격의 그래핀 재료 합성에 한계가 있다.

환경적 문제

그렇다면 많은 곳에 응용될 것으로 전망되는 그래핀. 환경적으로 문제는 없는 것인가. 한때, 세계적으로 석면(asbestos)이 불연성, 내마모성, 유연성이 좋은 등등 여러 이유로 우리의 일상 속에 대단히 유용한 물질로 알려져 있었다. 하지만 1940년대 이후 석면이 건강에 좋지 않은 영향을 미친다는 것이 밝혀지고 석면으로 인한 문제가 대두되면서 현재는 금지물질로 지정됬다.

기존에는 흑연을 강산과 산화제를 이용하여 산화 흑연을 제조하고 초음파분쇄를 하여 산화 그래핀을 얻고, 이를 다시 환원하여 그래핀을 얻었다. 이 과정에서 환경에 해롭고 유독물질인 강산과 산화제가 사용하게 되어 환경적인 문제도 대두되고 있는 것이다. 그 외에도 화학약품을 이용해 금속을 녹여 그래핀을 촉매 금속으로부터 분리하며 많은 양의 폐기물이 발생하기도 하고 복잡한 공정과 비용부분이 큰 장벽이 되기도 한다.

앞으로의 신물질은 환경 부분과 반드시 직결되는 부분이고 이를 벗어나서는 세계인의 사랑을 받는, 기술적 핵심가치가 있는 소재, 에너지가 되기 어렵다. 현재에도 전 세계에서는 이를 극복하고자 많은 연구가 이루어지고 있으며 환경문제가 해결되고 공정 단가가 낮아진다면 미래의 좋은 에너지원이 될 수 있을 것이다.