▲ 한국화학연구원 이제욱 책임연구원(右)과 권연주 연구원이 멀티 전극 시스템(사진 뒤)으로 생산한 그래핀 용액과 가루를 들고 포즈를 취했다.

한국화학연구원과 국내 중소기업이 꿈의 신소재로 불리는 그래핀을 저렴한 가격에 올해 내 양산에 나선다.

한국화학연구원 화학공정연구본부 이제욱 박사팀은 ‘차세대 전기화학 박리공정’을 개발하고, 이 공정을 적용한 멀티 전극 시스템을 만들었다고 19일 밝혔다.

그래핀은 흑연을 한 층만 벗겨낸 것으로, 강도와 열 전도성, 전기전도성 등 성능이 매우 뛰어나 꿈의 신소재로 불리지만 10여 년간 대량생산의 문턱을 넘지 못했다. 현재 그래핀은 대부분 흑연을 강산으로 처리해 그래핀을 얻는 ‘화학적 합성 공정’으로 생산되며 주로 연구용으로 사용되고 있다.

이제욱 박사팀이 개발한 멀티 전극 시스템은 전해질 용액 수조에 ‘금속 전극-흑연 전극-금속 전극’을 샌드위치처럼 배치한 묶음을 여러 개 담가놓은 장치다. 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.

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.

화학연구원은 이번 기술을 ㈜엘브스지켐텍에 이전하고, 올해 연말까지는 고품질의 그래핀을 대량 생산한다는 목표로 공동 연구를 수행하고 있다.

㈜엘브스지켐텍의 모회사인 엘브스흑연㈜은 국내 흑연광산의 채굴권을 확보하고, 올해부터 본격적인 흑연 채굴에 들어간다. 지금까지 중국 수입에 의존하던 고품질의 흑연 대신 국내에서 채굴된 저렴한 흑연으로 산업현장에서 쓰이는 그래핀을 대량 생산하는 건 이번이 처음이다. 현재 엘브스지켐텍은 안성에 엘브스흑연연구소를 설립하고, 그래핀 양산을 위한 준비에 박차를 가하고 있다.

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 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

한국산업평가관리원에 따르면, 현재 전 세계 그래핀 시장은 900억달러로 추정되며, 2025년에는 2,400억달러로 3배 가까이 증가할 것으로 전망된다.

박철용 엘브스지켐텍 대표는 “값싼 고품질의 그래핀을 대량으로 시장에 공급해 지난 10년 동안 열리지 않았던 그래핀 상용화의 문을 2021년까지 활짝 여는 게 목표”라고 말했다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 ‘벤처형전문소재기술개발사업’과 ‘탄소산업기반조성사업(고부가가치 인조흑연 소재기술개발)’ 등의 지원을 받아 이뤄졌다.