그래핀 101: 주요 형태, 특성, 최첨단 응용 분야 총정리

그래핀의 발견과 상용화 현황

그래핀은 2004년 맨체스터 대학교(영국 맨체스터) 연구자들이 접착 테이프로 흑연에서 탄소 단일 층을 분리해 처음 분리·특성화했으며, 2010년 Andre Geim과 Kostya Novoselov에게 노벨 물리학상을 안겨주었습니다. 10년 후 그래핀 강화 복합 응용(아라미드 나노섬유 강화 슈퍼커패시터로 전기차 배터리, 항공우주 복합 툴링, 극저온 압력 용기 등)이 지속적으로 헤드라인을 장식하고 있습니다. 소재 자체는 약 10년 전부터 상업적으로 이용 가능해졌지만, Graphene Council의 Terrance Barkan 전무이사에 따르면 그래핀의 상용화 경로는 지난 몇 년간 크게 가속화되었습니다. 실제로 지난 12개월 동안만 2,300건 이상의 그래핀 관련 특허가 승인되었다고 Graphene Council은 보고합니다.

'꿈의 소재'로 칭송되는 그래핀은 인상적인 기계적 특성, 높은 비용, 미성숙한 공급망으로 알려져 있습니다. 이에 Graphene Council과 그래핀 업계 관계자들은 복합 산업 종사자들이 그래핀이 무엇인지, 복합 응용 분야에서 어떤 잠재력이 있는지 새롭게 살펴보도록 돕고 있습니다.

형태와 특성

그래핀은 조밀한 벌집 모양 결정 격자에서 결합된 탄소 원자의 2차원 평면 시트입니다. 가장 순수한 형태는 단일 원자 두께지만, 최대 10개 이상의 탄소 층으로 된 시트로도 제작 가능합니다.

그래핀 생산 방식은 크게 두 가지입니다. 흑연 같은 원료에서 탄소 개별 층을 박리하는 방식, 또는 메탄 같은 기체 원료에서 기상 증착(CVD) 방식으로 기판에 탄소 층을 증착하는 방식입니다. CVD는 가장 얇은 단일 층 그래핀을 생산하며, 복합 응용에 주로 쓰이는 벌크 또는 다층 그래핀 제품은 대부분 흑연에서 박리해 만듭니다.

2010년 노벨상 수상 후 그래핀 활용 응용 개발에 나선 기업과 연구소가 급증했다고 Barkan은 말합니다. 그래핀이 현재 이용 가능한 소재 중 가장 강하고, 가장 단단하며, 가장 얇다는 것이 입증되었기 때문입니다.

복합재에서 그래핀은 일반적으로 수지 매트릭스나 다른 소재 내 첨가제로 사용돼 전기·열 전도성, 내구성, 유연성, 강성, UV 저항성, 경량화, 내화성 등 다양한 기계적 특성을 향상시킵니다. 복합 응용에서 특히 중요한 점은 그래핀이 층간 전단 파괴를 줄이고, 복합 라미네이트 내 미세 균열 문제를 없애며, 충격 저항성/인성을 높일 수 있다는 것입니다. "기본적으로 마법 같습니다."라고 Barkan은 평합니다.

지속 가능성 측면도 있습니다. 그래핀은 바이오디젤 연료 같은 폐기물에서 재활용할 수 있고, 내구성으로 소재나 제품 수명을 연장해 지속 가능성을 높입니다. 또한 순수 탄소라 수지 매트릭스에 쓰이는 다른 화학물질이나 첨가제의 잠재적 독성을 피할 수 있습니다.

그래핀의 형태

최종 그래핀 제품 형태는 우선 탄소 층 수에 따라 달라집니다. Barkan에 따르면 '프리스틴' 그래핀은 단일 원자 층이지만, 탄소 원자 층이 10개 이하인 소재도 시장에서 그래핀으로 불립니다. 그래핀은 극소 층 그래핀(vFLG, 1-3층), 소수 층 그래핀(FLG, 2-5층), 다층 그래핀(MLG, 2-10층), 그래핀 나노플레이트릿(GNP, 여러 층으로 쌓인 그래핀 시트 스택)으로 분류됩니다.

탄소 층 수 외에도 그래핀은 여러 상업적 형태로 나옵니다: 그래핀 산화물(GO, 탄소·산소·수소 화합물), 환원 그래핀 산화물(rGO, 산소 적고 탄소 많음), 그래핀 분말/용액/페이스트, 그래핀 나노플레이트릿(두께 1-3nm, 측면 치수 100nm-100μm), 기능화 그래핀(그래핀 표면이나 가장자리에 원소 추가). 기능화 그래핀 예로 Haydale(영국 아만포드)의 플라즈마 처리 그래핀이 있는데, 수지 분산 시 응집 방지에 도움이 된다고 Gemma Smith(Haydale 글로벌 마케팅 총괄)는 말합니다.

일반적으로 층 수가 적을수록 가격이 높습니다. Graphene Council에 따르면 1-2층 그래핀은 제곱미터당 최대 10만 달러(상업용 형태는 훨씬 저렴), 다층 그래핀은 kg당 50-1,500달러입니다. 많은 복합 응용에서 다층 그래핀이나 그래핀 나노플레이트릿으로도 충분한 특성을 발휘한다고 Barkan은 말합니다. 또한 그래핀 분자가 너무 작아 수지에 완전히 캡슐화되므로 제조 중 '빠져나가거나' '해방될' 염려가 없습니다.

그래핀을 어떤 형태로든 응용 분야에 분산시키는 방법은 기능화, 컴파운딩, 다양한 용매 및 계면활성제 사용 등 여러 가지가 있습니다. Barkan은 분산 방법이 여전히 많은 응용 분야에서 이해하고 실행하기 어려운 과제라고 지적합니다.

Barkan에 따르면 복합 응용에서는 다층 나노플레이트릿(1-5nm 두께) 검은 분말 형태를 액체 수지나 경화제에 혼합하는 것이 일반적입니다. 다른 많은 첨가제와 달리 그래핀은 원하는 특성을 얻기 위해 매우 소량만 첨가하면 됩니다. 중량 기준 1% 미만, 종종 0.1% 이하입니다. 일부 기업은 특정 응용을 위해 그래핀을 파이버 사이징에 첨가하거나 섬유에 직조하기도 합니다(일부 나일론 파이버 공급업체가 이미 수행).

"그래핀은 생각할 수 있는 거의 모든 플라스틱, 수지, 용매에 사용할 수 있습니다."라고 Barkan은 말합니다. 열가소성 수지의 경우 그래핀을 용융 혼합 단계에서 열가소성 비드나 펠릿에 혼입합니다. 그래핀과 열가소성 수지 결합으로 수지 사용 온도가 상승하고 수명이 연장됩니다.

공급업체와 응용 분야

Barkan에 따르면 현재 200개 이상 기업이 그래핀 공급을 주장하지만, 그중 약 80%는 소규모 랩 스케일 운영입니다. 산업 규모 그래핀 생산업체는 약 30개사로 추산되며, 신규 진입이 빈번합니다. 다음은 Graphene Council 회원사인 상업용 그래핀 공급업체 목록입니다.

그래핀 공급업체	위치
Abalonyx	오슬로, 노르웨이
Applied Graphene Materials	레드카 클리블랜드, 영국
Avanzare	나바레테, 스페인
First Graphene	헨더슨, 호주
General Graphene Corp.	녹스빌, 테네시, 미국
Glären	멕시코시티, 멕시코
Global Graphene Group	데이턴, 오하이오, 미국
Graphenea	산 세바스티안, 스페인
Grolltex	샌디에이고, 캘리포니아, 미국
Nanotech Energy	로스앤젤레스, 캘리포니아, 미국
Ntherma	밀피타스, 캘리포니아, 미국
Standard Graphene	울산, 대한민국
Thomas Swan	콘셋, 영국
Universal Matter	휴스턴, 텍사스, 미국
Versarian PLC	첼트넘, 영국
William Blythe	애크링턴, 영국
XG Sciences	랜싱, 미시간, 미국
Zen Graphene Solutions	썬더베이, 캐나다

시장과 응용: 스포츠 용품에서 우주까지

Graphene Council은 반도체, 코팅, 고무 등 45개 주요 응용 분야를 파악했으며, 복합재가 현재 그래핀 최대 사용 분야라고 밝혔습니다.

복합 산업 내 그래핀 활용 최종 시장은 스포츠 용품, 항공우주, 3D 프린팅 등 다양하며 상용화 정도도 다릅니다. 그래핀 나노플레이트릿 제조사 XG Sciences(미국 미시간 랜싱) CEO Philip Rose에 따르면 그래핀 시장은 여전히 성숙 중이며, 특히 복합 산업 내에서는 더욱 그렇습니다.

"시장은 시간이 지나며 출현하고 성장합니다. 신소재 상용화는 '소수 응용, 저용량'에서 시작해 '다수 응용, 저용량', '일부 중간 용량', '소수 대용량' 순으로 진행됩니다. 그래핀은 복합 분야에서 아직 '소수 응용, 저용량' 단계입니다. 공급망, 효능 등 여러 이유일 수 있지만, 근본적으로 성숙도 문제이며 시간과 교육이 필요합니다."

Rose는 스포츠 용품 산업이 그래핀 강화 복합재를 처음 대규모로 채택한 분야라고 지적합니다. "스포츠 용품 시장은 그래핀의 성능 특성뿐 아니라 마케팅 특성에서도 이득을 볼 수 있습니다. 스포츠 용품계에서는 모두 최신·최고 소재를 원합니다." 그래핀이 새로운 '최신·최고' 소재가 되자 고급 복합 스포츠 장비(필드하키 스틱, 골프공, 스키, 테니스 라켓)에 빠르게 테스트 적용되었습니다. Barkan에 따르면 일부 그래핀 복합 스포츠 제품은 양산 단계에 올랐습니다.

"일반적으로 스포츠 용품 다음으로 산업 시장이 채택하며, 그 범위는 꽤 넓어집니다." Rose는 이어 말합니다. 산업 시장 내 그래핀 도달 범위는 복합재에 국한되지 않습니다. XG Sciences의 현재 고객 다수는 포장재 성능 향상이나 플라스틱 병 재활용성 개선에 그래핀을 활용합니다.

자동차 산업에서도 그래핀 강화 복합재가 여러 성공을 거두었습니다. 그래핀은 적은 소재로 강도와 충격 저항성을 더해 부품 전체 무게를 줄여줍니다. 예를 들어 XG Sciences는 Ford Motor Co.(미국 미시간 디어본)와 그래핀 강화 폴리우레탄 폼을 개발해 Ford F-150과 Mustang 부품의 내구성, 소음·진동·거칠기(NVH), 무게를 개선했습니다. 또한 영국 고성능 스포츠카 회사 Briggs Automotive Co.(BAC, 리버풀)는 2019년 8월 자사 Mono R 원시터 슈퍼카의 모든 차체 패널을 Haydale의 기능화 그래핀을 사용한 100% 그래핀 강화 탄소섬유 복합재로 생산한다고 발표했습니다. Barkan은 이것이 자동차 산업 내 더 많은 기회의 신호라고 봅니다.

항공우주 분야에서는 충격 저항과 경량화가 핵심입니다. Rose는 "항공우주 시장은 큰 잠재력이 있어 보이지만, 아직 응용이 상당한 볼륨으로 확대되진 않았습니다."라고 말합니다. 그래핀 강화 복합 항공기 부품의 완전한 자격 인증은 아직이지만, 여러 시연 부품이 공개되거나 개발 중입니다. 예를 들어 23개국 150개 이상 파트너 조직으로 구성된 EU 지원 컨소시엄 Graphene Flagship이 2018년 Airbus A350용 그래핀 강화 복합 수평 꼬리날개 앞전 개발을 발표했습니다. 파트너사 Airbus, Aernnova, Grupo Antolin-Ingenieria는 시연 부품이 기계적·열적 특성 향상을 보여 더 얇고 가볍게 만들면서 요구 특성을 유지했다고 보고했습니다. Graphene Flagship은 항공기 표면 제빙용 그래핀 활용 프로젝트와 자동차, 배터리 등 응용도 주도하고 있습니다.

전기 전도성도 항공우주 응용에서 그래핀의 잠재적 이점입니다. 2019년 11월 Haydale은 낙뢰 보호용 그래핀 강화 프리프레그 제품군을 출시했습니다. 기능화 그래핀 강화 소재가 구조 부품의 전기 전도성 향상과 전자 항공 시스템 인클로저에 적합하다고 보고했습니다.

우주 분야에서는 그래핀이 복합 라미네이트 내 미세 균열 문제를 완화하는 경향이 있어, 우주 발사체 연료 및 산화제 저장용 복합 압력 용기에 적합합니다. 예를 들어 Infinite Composites Technology(ICT, 미국 오클라호마 털사)가 올해 초 발표한 필라멘트 와인딩 구형 전복합 크라이오탱크가 있습니다.

Barkan이 간과된 응용으로 꼽는 것은 복합 툴링용 그래핀 활용입니다. 그래핀 강화 복합 툴링의 이점은 툴링 수명 연장과 열 분포 개선입니다. 최근 사례로 SHD Composites Ltd.(SHD, 영국 슬리포드)와 Composite Tooling and Engineering Solutions Ltd.(CTES, 영국 매트록), Applied Graphene Materials(AGM, 영국 레드카&클리블랜드)가 협력해 개발한 프로토타입 툴링 소재가 있습니다. AGM의 그래핀 나노플레이트릿으로 강화된 시연용 CFRP 자동 섬유 배치(AFP) 맨드릴 툴이 저비용 고성능 항공우주 부품 툴링 잠재력을 보였습니다. 팀은 오토클레이브 외 공정(OOA) 소재 가공과 열가소성 복합 응용 프로토타입 툴링 개발을 진행 중입니다.

실험적으로 그래핀은 복합 풍력 터빈 블레이드 강화제로도 테스트 중입니다. 고충격 표면과 경량 구조 니즈가 그래핀 매트릭스 혼입으로 잘 해결될 수 있습니다. Smith는 Haydale도 풍력 터빈 블레이드에 그래핀을 적용해 낙뢰 보호를 위한 전기 전도성 향상 잠재력을 본다고 덧붙입니다.

완전 상용화를 향해

이 '꿈의 소재'의 다음 단계는 무엇일까요? Barkan은 향후 10년 내 그래핀 완전 상용화를 예측합니다. "긍정적 모멘텀이 많습니다." Rose는 "여전히 어느 정도 발견 단계이지만, 의도적 설계와 활동으로 시작될 것입니다. 자동차 분야는 오랜 시간이 걸리지만 스포츠 용품 같은 시장은 더 빠릅니다... 하지만 그게 공급망 견고성과 효능 지식을 늘려 자생적으로 확대될 것입니다."

"모든 분야가 이제 그래핀 활용을 두고 경쟁하고 있습니다." Smith는 "그래핀을 어떻게 사용하고 어디에서 개선을 주는지, 맨체스터 대학교 등 기업과 기관의 방대한 연구 덕분에 알게 되었습니다... 업계로서 대형 우주 기업, 항공우주 기업, 자동차 기업과 실질적 대화를 나누고 있기에 그래핀의 복합재 활용은 늘어날 것입니다. 안 늘어날 이유가 없습니다."라고 말합니다.

그동안 지식 격차를 메우는 연구들이 계속 나오고 있습니다. 예를 들어 Graphene Council은 Composites One(미국 일리노이 알링턴 하이츠), 맨체스터 대학교, Huntsman(미국 텍사스 우드랜즈), Chromaflo(미국 오하이오 애슈터뷸라)와 협력해 공통 수지 시스템 내 다양한 그래핀 형태 테스트 프로젝트를 조정 중입니다. 그래핀 나노플레이트릿, 그래핀 산화물, 환원 그래핀 산화물, 기능화 그래핀을 각각 공통 수지 시스템(Huntsman의 Araldite GY 282 에폭시 수지, 널리 쓰이는 일반적인 시스템)에 중량 기준 1%, 0.5%, 0.1%로 첨가합니다. 8개사 14개 이상 시료 소재를 확보해 각 소재 시스템으로 수지만, 그래핀만, 그래핀+유리섬유, 그래핀+탄소섬유 조합 부품을 만듭니다. 테스트 항목: 충격 저항, 인장 강도, 굴곡 탄성률, 층간 전단 테스트.

"동일한 수지 시스템과 동일한 테스트로 서로 다른 회사들의 다양한 그래핀 유형을 제3자 독립적 헤드투헤드 비교한 것은 이번이 처음입니다."라고 Barkan은 말합니다. Graphene Council은 결과를 공개할 예정입니다.

"사람들이 그래핀을 새 눈으로 다시 보길 진심으로 권합니다. 품질이 다릅니다(10년 전 대비). 가격이 다릅니다. 취급 기술이 발전했습니다. 검증된 케이스 스터디와 예시가 있습니다. 상용화되고 있습니다. 살펴볼 가치가 있습니다."라고 Barkan은 결론 내립니다.