KRICT Research
꿈의 신소재 그래핀 연내 대량 생산한다
작성자전체관리자 조회수3,518 등록일2021-02-24화학연 이제욱 박사팀, 흑연에 전기 흘려 그래핀 벗겨내는 전기화학 박리공정 개발
화학연-㈜엘브스지켐텍, 국내 채굴 흑연으로 고품질 그래핀 대량생산
？
그래핀은 흑연의 한 층(0.2㎚의 두께)을 벗겨낸 것으로, 탄소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면구조이다. 2004년 영국의 가임(Andre Geim)과 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 연구팀이 상온에서 투명테이프를 이용하여 흑연에서 그래핀을 떼어 내는 데 성공한 공로로 2010년 노벨 물리학상을 받았다.
？
한국화학연구원과 국내 중소기업이 꿈의 신소재로 불리는 그래핀을 올해 내 양산화한다. 국내에서 산업용 그래핀을 대량 생산하는 건 이번이 처음이다.
？
그래핀은 흑연을 한 층만 벗겨낸 것으로, 강도와 열 전도성, 전기전도성 등 성능이 매우 뛰어나 꿈의 신소재로 일컬어졌지만, 10여 년간 대량생산의 문턱을 넘지 못했다.
？
세계적으로 산업용 그래핀 주도권을 차지하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있지만, 아직 상용화된 적은 없다. 고품질의 그래핀을 저렴한 가격으로 대량생산하는 게 매우 어렵기 때문이다.
？
이를 해결하기 위해 한국화학연구원 화학공정연구본부 이제욱 박사팀은 ‘차세대 전기화학 박리공정’을 개발하고, 이 공정을 적용한 멀티 전극 시스템을 만들었다.
？
멀티 전극 시스템은 전해질 용액 수조에 ‘금속 전극-흑연 전극-금속 전극’을 샌드위치처럼 배치한 묶음을 여러 개 담가놓은 장치다.
？
한국화학연구원 화학공정연구본부 이제욱 박사팀이 개발한 ‘차세대 전기화학 박리공정’을 적용한 멀티 전극 시스템
？
이 장치는 흑연 전극에 전기를 흘려보내 그래핀을 아주 얇은 층으로 벗겨내는 방식으로, 이렇게 벗겨진 그래핀은 장치 하단의 필터를 통해 용액과 분리되어 가루 형태로 추출된다.
？
현재 이 장치로 고품질의 그래핀을 1시간이면 생산할 수 있는데, 이는 세계에서 가장 빠른 수준이다. 또 그래핀 1g당 가격도 2,000원으로 비교적 저렴해 가격 경쟁력도 갖췄다.
？
이는 기존 그래핀 생산기술인 ‘화학적 합성 공정’보다 생산시간과 가격, 품질 등 모든 면에서 우수한 것이다. 화학적 합성 공정은 흑연을 강산으로 처리해 그래핀을 얻는 방식으로, 현재 주로 연구용으로 사용되고 있다.
？
한국화학연구원 이제욱 박사는 “화학적 합성 공정의 경우, 강산 처리로 인해 그래핀의 강도, 열 전도성, 전기전도도 등의 품질이 급격히 떨어지고, 나중에 환원처리를 하지만 100% 수준으로 품질이 회복되지 않는다”고 설명했다.
？
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.
？
한국화학연구원은 이 같은 기술을 개발해 ㈜엘브스지켐텍에 이전하고, 올해 연말까지는 고품질의 그래핀을 대량 생산한다는 목표로 공동 연구를 수행하고 있다.
？
현재 ㈜엘브스지켐텍의 모회사인 엘브스흑연㈜은 국내 흑연광산의 채굴권을 확보하고, 올해부터 본격적인 흑연 채굴에 들어간다. 지금까지 중국 수입에 의존하던 고품질의 흑연을 저렴한 가격으로 대량 공급할 수 있게 된 것이다.
？
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 유연성과 가공성이 뛰어나 흑연 시트를 충분히 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
？
한국산업평가관리원에 따르면, 현재 전 세계 그래핀 시장은 900억 달러로 추정되며, 2025년에는 2,400억 달러로 3배 가까이 증가할 것으로 전망된다.
？
㈜엘브스지켐텍 박철용 대표는 “값싼 고품질의 그래핀을 대량으로 시장에 공급해 지난 10년 동안 열리지 않았던 그래핀 상용화의 문을 2021년까지 활짝 여는 게 목표”라고 말했다. 현재 ㈜엘브스지켐텍은 안성에 엘브스흑연연구소를 설립하고, 그래핀 양산을 위한 준비에 박차를 가하고 있다.
？
한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 ‘벤처형전문소재기술개발사업’과 ‘탄소산업기반조성사업(고부가가치 인조흑연 소재기술개발)’ 등의 지원을 받아 이뤄졌다.