꿈의 소재 `그래핀`을 잡아라

꿈의 소재 `그래핀`을 잡아라

18세기에 석탄이 산업혁명 일으켰다면 21세기엔 그래핀이 주역
전세계 상용화 초기단계 아직 주인없는 황금시장
유럽은 EU차원에서 10억유로 투입 개발나서
한국 특허 세계 2위 산학연 컨소시엄 구성 국가적 역량 모아야

지난 19일 서울 역삼동 한국기술센터에서 열린 좌담회에서 황창규 지식경제 R&D전략기획단장(왼쪽 둘째ㆍ이하 시계 방향)이 김필립 미국 컬럼비아대 교수, 홍순형 카이스트 신소재공학과 교수, 빈첸초 팔레르모 이탈리아 국립연구위원회 박사와 이야기를 나누고 있다. ＜박상선 기자＞

석탄, 반도체 그리고 그래핀. 글로벌 물리학 대표 브레인들이 꼽은 혁신 소재들이다. 석탄이 18세기 산업혁명을 이끌었고 반도체가 20세기 정보기술(IT) 혁명을 주도했다면 앞으로는 그래핀이 신소재 혁명을 이끌 것이라는 뜻이다. 그래핀은 탄소 원자 한 층으로 구성된 나노 구조체인데 물리적, 화학적 성질이 기존 물질에 비해 월등해 `꿈의 소재`로 각광받고 있다. 지난 2004년 인류가 최초로 발견한 지 7년 만에 석학들 사이에서 21세기 산업을 움직일 핵심 소재로 자리매김했다. 각국 경쟁도 치열하다. 이미 한국, 미국, 유럽 등이 상용화 기술을 놓고 개발 경쟁에 뛰어든 상태다. 이에 매일경제신문은 지난 19일 서울 역삼동 한국기술센터에서 한국, 미국, 유럽 그래핀 연구를 대표하는 석학들과 좌담회를 전격 갖고 그래핀 시장 전망과 한국이 가야 할 길 등에 대해 논의했다. 

좌담회에는 황창규 지식경제 R&D전략기획단장, 홍순형 카이스트 신소재공학과 교수, 김필립 미국 컬럼비아대 교수, 빈첸초 팔레르모 이탈리아 국립연구위원회(CNR) 박사 등이 참석했다. 이날 사회를 맡은 황창규 단장은 "그래핀은 반도체보다 훨씬 큰 파급효과를 불러일으킬 새로운 산업의 쌀"이라며 "각국이 상용화에 애쓰고 있는 상황에서 한국이 선점 기술 확보에 노력해야 한다"고 강조했다. (*는 독자 이해를 돕기 위한 도움말) 

－황창규 단장＝그래핀이 과연 전 산업에 걸쳐 큰 임팩트를 줄 정도로 강력한 소재인가. 그래핀의 미래는 어떤 모습으로 다가오게 될까. 

▶김필립 교수＝최초 발견 이후 7년여 만에 과학ㆍ기술ㆍ공학적 발전이 빠르게 진행됐다. 지난해 노벨 물리학상도 처음 세상에 그래핀 존재를 알린 과학자들(*2004년 그래핀을 발견한 영국 맨체스터대 안드레 가임, 콘스탄틴 노보셀로프 교수)에게 돌아갔다. 이후 그래핀이 갖고 있는 우수한 특성 때문에 산업화 가능성이 급속히 진전됐고 시간이 지날수록 새로운 성질들이 계속 발견되고 있다. 그래핀은 전기전도성이 크고 기계적 강도가 높으면서 화학적 성질도 우수하다. 더구나 구조가 단순하기 때문에 이를 응용하는 데 따른 장벽이 높지 않다는 장점이 있다. 전기전도성이 좋은 잉크나 태양광 전기전극 등 낮은 단계의 기술부터 실리콘과 결합해 더 나은 전자소재를 만드는 아주 복잡한 기술까지 응용이 가능하다. 애플리케이션 적용분야가 무궁무진하다. 

－황 단장＝응용 경쟁력 면에서는 특히 한국이 유리하다. 우리나라는 반도체, 디스플레이, 2차전지 등 그래핀이 응용될 수 있는 수요산업에서 이미 세계 최상위권 경쟁력을 보유하고 있다. IT, 에너지, 자동차 등 30여 개 기업이 정부 상용화 연구개발(R&D) 투자를 선도한다며 3000억원 규모 매칭 투자를 진행하겠다고 나서는 등 산업계 의지도 다른 나라보다 높다. 해외에서는 그래핀 상용화를 위해 어떤 노력을 기울이고 있나. 

▶팔레르모 박사＝유럽에서는 EU 차원에서 이른바 `플래그십(flagship) 프로젝트`가 진행되고 있다. 향후 10년간 10억유로가 투자되는 야심찬 프로젝트인데 이 핵심 과제 중 하나가 바로 그래핀이다. 청동, 철, 석탄, 석유 등 유사 이래 인류 기술혁신을 가져온 소재가 많았다. 나는 그래핀을 이 같은 기술혁신을 불러올 차세대 소재로 보고 있다(*현재 그래핀 연구는 유럽연합 집행위원회(EC) 정보 통신분야 6대 최첨단 연구과제(플래그십 프로젝트) 유력 후보 과제에 들어 있음. EC는 6대 기획연구 가운데 2개를 대표 사업으로 선택해 2013년부터 10년간 10억유로를 지원할 예정이다). 

－황 단장＝한국은 그래핀 특허 출원 건수만 세계 2위에 올라 있을 정도로 저력 있는 나라다. 문제는 상용화다. 한국이 기술 강국으로 올라섰지만 더 중요한 건 시장을 개척하고 이를 선점하는 것이다. 한국이 상용화 전략은 어떻게 짜야 할까. 

▶홍순형 박사＝그래핀 소재 연구가 완제품으로 연결되려면 몇 가지 해결해야 할 과제가 있다. 첫째, 가격 문제다. 그래핀 소재 가격은 다른 소재에 비해 매우 비싸다. 글로벌 경쟁 여건 등을 감안하면 양산기술을 개발해 대량 생산으로 가격을 대폭 낮추는 작업이 향후 2~3년 안에 이뤄져야 한다. 

둘째, 그래핀 응용부품 개발을 위해서는 새로운 공정기술이 개발돼야 하고 이 기술에 대한 신뢰성을 입증해야 한다. 그런데 아직 누구도 상용화를 해본 적이 없기 때문에 위험 부담이 큰 상태다. 따라서 그래핀 분야 산ㆍ학ㆍ연 컨소시엄 사업단을 구성해 여기에서 나오는 기초연구 결과를 기업이 받아 사업화하는 공동연구 전략이 필요하다. 

응용 분야가 워낙 다양하기 때문에 `선택과 집중` 전략을 맡을 컨트롤타워도 필수다. 어떤 분야에서 얼마나 빨리 상용화가 가능한지, 어떤 제품을 전략적으로 개발할 것인지 등을 분석해서 기업 투자 리스크를 줄여줘야 한다. 같은 맥락에서 정부는 소재뿐만 아니라 소재와 부품, 장비, 완제품을 연결하는 전체 밸류체인에 대한 지원으로 방향을 잡아야 한다. 

－황 단장＝미국은 상용화 전략을 어떻게 잡고 있나. 

▶김 교수＝사실 미국은 상용화에 있어서 구체적인 연구가 부족한 면이 있다. 역설적이지만 기업 주도 연구가 많았기 때문이다. 한국이나 유럽과는 달리 미국은 그래핀을 상용화하기에는 (정부 주도) 구심점이 부족한 상태다. 이게 바로 미국이 풀어야 할 당면 과제다. 

그래핀 상용화는 리스크가 큰 사업이다. 노력과 투자를 많이했지만 상용화에 실패할 가능성도 있다. 그러나 한국 처지에서 그래핀은 그 누구도 가지 못했던 세계 선도 기술을 개발할 수 있는 절호의 기회다. 리스크는 있지만 충분히 도전할 만한 가치가 있는 리스크라고 본다. 

■그래핀이란? 강철 100배 강도 나노 물질 반도체ㆍ전자종이에 신소재 

그래핀은 흑연 탄소 원자 한 층으로 구성된 나노 구조체다. 쉽게 말해 탄소 원자가 한 알갱이 두께로 카펫처럼 평평하게 깔려 있는 물질이라고 생각하면 된다. 

그래핀(graphene)이라는 이름은 흑연을 뜻하는 `그래파이트(graphite)`와 탄소 이중 결합 분자를 뜻하는 접미사 `-ene`를 합성해 만들었다. 

두께가 0.35㎚(나노미터ㆍ1㎚는 10억분의 1m)에 불과할 정도로 얇은데 물리적ㆍ화학적 성질이 기존 물질에 비해 월등히 뛰어나 `꿈의 소재`로 평가받는다. 지금까지 인류가 발견한 소재 가운데 가장 얇고 튼튼한 것으로 알려졌다. 상온에서 구리보다 약 1000배나 많은 전류를 전달할 수 있고 강철보다 강도가 100배 이상 강한 것으로 분석된다. 빛 98%를 통과시킬 정도로 투명하면서 반도체 재료인 실리콘에 비해 전하 이동속도가 150배 빠르다. 

이 같은 특성 때문에 그래핀은 실리콘 반도체를 대체할 수 있는 유력 소재로 손꼽힌다. 잘 휘는 디스플레이나 전자종이, 입는 컴퓨터, 각종 전극 소자 등 응용 분야도 매우 폭넓다.