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포항에 ‘그래핀 밸리’를 구축하는 까닭은

포항에 ‘그래핀 밸리’를 구축하는 까닭은

2021/03/31

새로운 소재의 탄생, 새로운 물질의 발견은 세상에 엄청난 기대를 준다. ‘그래핀(Graphene)’이 딱 그런 예다.

그래핀은 상온에서 구리보다 100배나 많은 전류를 실리콘보다 100배 이상 빠르게 흘러가게 할 수 있고, 열전도성도 탁월해 구리보다 10배나 더 열을 잘 전달한다. 강도는 강철보다도 100배 이상 강하다.

빛이 통과될 정도로 투명하기까지 하다. 또한 자기 면적의 20%까지 늘어날 정도로 신축성도 좋다. 게다가 완전히 접어도 전기전도성이 사라지지 않는다. 얇으면서도 잘 휘어지고 가볍기까지 하니 그래핀은 그야말로 초강력 물질이라고 할 수 있다.

그래핀 설명 그림과 표. 그리핀은 탄소 원자로 이뤄진 벌집모양의 얇은 막으로, 두께는 원자 1개 크기인 0.2nm이며 물리적, 화학적 안전성이 매우 높다. 구분과 특성 – 전도성: 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통함. 전자이동: 반도체 실리콘 소재보다 100배 이상 빠름. 강도: 강철보다 200배 이상 강함. 열전도성: 다이아몬드보다 2배 이상 높음. 투과성: 빛을 대부분 통과시키고, 투명하며 성질이 변하지 않음. 신축성: 육각형 그물망 형태로 자기면적의 20%까지 늘어남.

문제는 이 그래핀 소재를 아직 대량으로 만들어내지 못하고 있다는 것. 노벨 물리학상을 수상할 만큼 ‘꿈의 신소재’라고 불리는 그래핀이지만 양산의 문턱을 넘지 못하고 있는 것이다.

그러나, 꿈을 꾸는 사람들은 이 매력적인 소재를 가만히 놔둘리 없다. 세계적인 기관들이 시장을 개척하여 주도권을 차지하기 위해 상용화를 위한 연구개발에 뛰어들고 있다.

지난 3.31일 포스코도 국내 벤처, 대학, 연구기관, 지역사회와 더불어 그래핀 기술 상용화를 위한 여정에 동참을 선언했다. 소재 중의 소재인 철강을 메인 업(業)으로 하고 있는 포스코지만, 미래 신소재에 대해서도 눈을 열어두고 있는 것.

그래핀스퀘어, 포스텍, RIST, 포항시와 함께 협약한 포항 그래핀 밸리 구축을 통해 그래핀 기술의 상용화를 앞당겨, 시장을 선도하겠다는 야심찬 발걸음이 시작된 것이다.

l 포스코•포스텍•RIST•포항가속기연구소… 산학연 최적 인프라

그래핀 밸리를 포항에 구축하게 된 것은 무엇보다 우수한 산(産)•학(學)•연(硏) 인프라가 뒷받침됐기 때문이다. 기초과학의 포스텍, 상용화 연구의 RIST(포항산업과학연구원), 제조공정 연구에 강한 포스코 기술연구원을 비롯해 포항가속기연구소 등 연구 인프라가 포진하고 있다.

또 미래 그래핀 소재시장 개척을 위해 포항시와 포스코그룹이 두 팔을 걷어부치고 협력과 지원을 약속한 것도 주효했고, 포스텍을 졸업하고 그래핀스퀘어를 창업한 홍병희 서울대 교수의 남다른 포항 사랑도 한 몫을 했다.

포항 그래핀 밸리 구축을 위한 참여 기관의 역할을 차례로 살펴본다.

포항 그래핀 밸리 설명 이미지. (시계방향으로) POSCO: 그래핀 상용화에 대비한 산,학,연,관 협력 생태계 구축, Roll to Roll 양산 기술 지원. 포항시: 그래핀 특구 조성, 그래핀 소재 및 응용기술 필요 기업 유치. POSTECH: 그래핀 국제표준 평가 센터 구축 및 그래핀 응용제품 분석 지원, 방사광 가속기를 활용한 그래핀 소재 및 응용제품 분석 지원. RIST: 그래핀 양산 설비 구축 지원 및 공정기술 개발. GRAPHENE SQUARE: 원천기술 활용 제품개발, 그래핀 양산체계 구축, 국가 주력 부품산업에 특화된 그래핀 응용기술 개발.

먼저, 포항 그래핀벨리의 주인공 그래핀스퀘어㈜. 그래핀스퀘어는 그래핀 양산의 핵심인 Roll to Roll 연속합성법* 원천기술을 보유하고 있으며, 현재는 제품 상용화를 위해 박차를 가하고 있다. 포항 그래핀 밸리를 통해 양산체제를 구축하고 응용기술을 개발할 계획이다.

다음은 포스코. 포스코는 RIST의 공정기술 전문가와 협업해 R2R(Roll to Roll) 양산설비 구축을 지원한다. ‘기본소재’인 철강 제조공정의 기술과 노하우를 활용해 그래핀 R2R 공정 구축에도 적극 활용할 계획.

포스텍은 부설 나노융합기술원의 기술사업화 지원장비와 클린룸 등 첨단 나노인프라 시설을 활용해 그래핀이 적용된 반도체, 디스플레이, 나노융합소재 등의 성능 분석을 지원한다. 이 과정에서 확보된 기술은 국제 표준화를 추진해 그래핀 응용기술분야 글로벌 선점을 지원한다는 계획이다.

포항가속기연구소는 4세대 방사광가속기의 EUV(Extreme Ultraviolet, 극자외선) 광원을 활용해 그래핀의 전자 구조를 분석하고, 반도체 등 응용소재의 신뢰성을 확보할 계획이다.

한편, 포항시는 포항 그래핀 특구 지정을 통해 응용기술이 필요한 기업 유치와 입주기업들에 행정편의를 지원한다.

Roll to Roll 그래핀 제조공정 모델 설명 이미지. 신문을 찍어내는 과정과 같이 합성, 에칭, 전사 등의 과정을 연속적인 생산라인에서 구현하여 생산성을 극대화하는 기술로 그래핀의 대량 생산에 최적화된 기술. 불연속 방법 대비 40배 가량 높은 생산성. 구리 호일 전처리 공정에서 세정, 열처리를, 탄소전구체가 구리표면의 촉매작용에 의해 탄소원자로 해리되면서 육각형 벌집모양의 구조를 형성해 대면적 그래핀 필름이 성장하는 그래핀 합성 공정을 거친다. 또, 열전사필름 라미네이션, 구리호일에칭, 목적기판에 전사의 롤투롤 CVD 후공정을 거친다. 2022년 말까지 연간 100,000제곱미터 생산량 달성을 목표로 하고 있고, 포항 국가산업단지를 중심으로 그래핀밸리 구축사업을 추진 중이다. 그래핀스퀘어는 그래핀 롤투롤 양산에 필요한 핵심특허의 광범위한 권리를 확보하고, 발열, 방열, 기체차단, 전자파차단 등을 포함한 그래핀응용 완전 특허를 확보했다.

l ‘첨단 망토’ 그래핀의 응용분야는?

그래핀은 기존의 물질에 단단함을 더할 수 있고 전기가 통하지 않던 물질을 도체로 바꿀 수있는 ‘첨단 망토’로 불려진다.

그래핀 대량생산이 이뤄지면 소재 응용이 무궁무진해 다양한 산업군에 새로운 패러다임을 가져올 것으로 예상된다. 뛰어난 강도, 열전도율, 전자 이동 등이 요구되는 디스플레이, 2차전지, 태양광, 자동차 조명 등을 비롯해 방열 필름과 코팅 재료까지 전반적인 국가 주력 산업에 그래핀 적용이 가능하다.

포항 그래핀 밸리의 성공적인 운영을 통해 포항이 세계를 깜짝놀라게 할 소재 혁신을 일으키는 또 하나의 메카가 되길 기대한다.

그래핀의 산업적 응용 설명 이미지. 투명전극: 유연투명디스플레이, 터치패널, 유기발광소자. 인쇄전자용 잉크: 인쇄전자, 전자파차폐. 가스 배리어: 디스플레이, 유기태양전자, 유기발광소자. 복합소재: 고강도,경량, 초발수코팅, 수처리. 에너지 전극: 슈퍼커패스터, 솔라셀, 이차전지, 연료전지. 방열소재: LED광소자, 웨어러블소자, PC.

그래핀 이야기 설명 이미지. 그래핀: 연필심에 사용되는 흑연은 육각형 그물처럼 배열된 탄소 평면들이 층으로 쌓여있는 구조로 되어 있는데 이 흑연의 한 층. 그래핀의 7대 특성: 열 전도도, 전기 전도도, 투명도, 신축성, 초고강도, 기체 차단, 전자파 차폐. 본문: 2004년 영국의 가임과 노보셀로 연구팀이 흑연 가루를 제거하기 위해 썼던 스카치테이프에 붙어 있는 흑연들이 기계를 이용해 만든 흑연 필름보다 더 얇다는 것을 발견합니다. 계속해서 스카치테이프에 흑연 가루를 붙였다 떼었다 붙이기를 여러 번 반복한 결과 그래핀 한 겹을 얻을 수 있다는 것을 발견했고, 논문으로 발표해 2010년 노벨 물리학 상을 받게 됩니다. 하지만, 그래핀은 10년이 넘도록 양산 효율화에 실패하면서 우수한 성능을 가지고 있음에도 많은 분야에 적용도지 못했고, 최근에서야 고품질의 그래핀을 소량으로 합성하는데 겨우 성공했다고 합니다. 지금부터는 누가 그래핀을 대량생산할 수 있는 기술을 먼저 확보하느냐에 따라서 미래산업의 주도권을 가져올 수 있습니다. 도전장을 낸 그래핀스퀘어. 그래핀을 대량생산 할 수 있게 되면 그 파급력은 우리가 생각하는 것 이상으로 엄청나겠죠? 많은 기대를 가져봅니다.

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