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‘꿈의 신소재'라 불리는 그래핀(Graphene)이 왜 아직 상용화가 더딘 것일까요?
우수한 전도성과 강도를 가졌음에도 불구하고, 대량 생산 과정에서 발생하는 물리적 난제나 공정상 비용 문제 중 무엇이 상용화의 가장 큰 걸림돌인지 궁금합니다.
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
그래핀이 꿈의 신소재라 불리면서도 십몇 년째 상용화가 더딘 건, 성능이 부족해서가 아니라 만드는 게 너무 어렵기 때문이에요. 짚으신 대량 생산의 난제와 비용 문제가 사실 하나로 얽혀 있는데, 그 구조를 풀어드릴게요.
먼저 그래핀이 뭔지 짚고 갈게요. 그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이어진 단 한 겹의 얇은 막이에요. 두께가 원자 하나 수준이라 사실상 2차원 물질이라고 불려요. 이렇게 얇은데도 강철보다 수백 배 강하고 전기도 구리보다 잘 통하고 투명하기까지 해요. 연필심에 쓰이는 흑연이 바로 이 그래핀이 수없이 겹쳐 쌓인 건데, 그중 딱 한 층만 떼어낸 게 그래핀이에요. 이 한 겹을 온전하게 뽑아내는 것, 여기서부터 모든 어려움이 시작돼요.
가장 큰 걸림돌은 넓고 완벽한 그래핀을 대량으로 만들기가 극도로 어렵다는 거예요. 처음 그래핀을 발견했을 때는 흑연에 스카치테이프를 붙였다 떼는 방식으로 얻었어요. 테이프에 묻어난 아주 작은 조각이 세계 최초의 그래핀이었죠. 이 방법은 품질은 완벽하지만 손톱만 한 조각을 얻는 데도 한참 걸려요. 산업에 쓰려면 넓은 면적이 필요한데 이런 식으론 어림도 없어요.
그래서 넓게 만드는 다른 방법들이 개발됐는데, 여기서 품질과 생산량이 서로 충돌하는 문제가 생겨요. 이게 핵심이에요. 뜨거운 금속판 위에서 탄소를 화학 반응시켜 그래핀 막을 넓게 키우는 방법이 있어요. 면적은 넓게 나오지만 과정이 까다롭고 비싸요. 게다가 다 만든 뒤 금속판에서 그래핀을 떼어내 다른 곳으로 옮기는 과정에서 얇은 막이 찢어지거나 주름이 지거나 오염되기 일쑤예요. 원자 한 겹짜리 막을 흠집 없이 옮긴다는 게 상상 이상으로 어렵거든요.
반대로 흑연을 화학약품으로 잘게 벗겨내 가루처럼 만드는 방법도 있어요. 이건 값싸게 많이 만들 수 있어요. 하지만 이렇게 얻은 건 조각이 작고 두께도 제각각인 데다 화학 처리 과정에서 구조에 결함이 생겨요. 그러면 그래핀의 그 놀라운 성능이 확 떨어져요. 그러니까 완벽한 품질을 원하면 양이 안 나오고 비싸며, 양을 늘리고 값을 낮추면 품질이 떨어지는 딜레마에 빠지는 거예요.
여기서 왜 완벽함이 그렇게 중요하냐면, 그래핀의 성능이 구조의 완벽함에서 나오기 때문이에요. 벌집 구조가 흠집 없이 쭉 이어져야 전자가 막힘없이 흘러 전도성이 나오는데, 중간에 결함이 있거나 원자 배열이 어긋나면 그 지점에서 전자가 걸려 성능이 뚝 떨어져요. 강철보다 강한 성질도 구조가 온전할 때 이야기고, 결함이 있으면 그 부분부터 약해져요. 그래서 다른 소재라면 넘어갈 만한 작은 흠도 그래핀에서는 치명적인 거예요.
비용 문제도 결국 여기서 나와요. 비용이 따로 걸림돌인 게 아니라, 완벽한 품질을 대량으로 뽑아내기 어렵다는 물리적 난제가 곧 높은 비용으로 이어지는 거예요. 그러니 짚으신 두 가지 중 무엇이 더 큰 걸림돌이냐고 물으신다면, 물리적 난제가 근본이고 비용은 그 결과라고 보는 게 정확해요. 만드는 게 쉬워지면 비용은 자연히 따라 내려가거든요.
그렇다고 그래핀이 실패한 건 아니에요. 완벽한 넓은 막이 필요한 반도체나 투명 디스플레이 같은 분야는 아직 갈 길이 멀지만, 품질이 조금 낮아도 되는 분야에서는 이미 쓰이고 있어요. 가루 형태 그래핀을 배터리 성능을 높이는 첨가제로 넣거나, 플라스틱이나 콘크리트에 섞어 강도를 높이거나, 열을 잘 퍼뜨리는 방열 소재로 쓰는 식이에요. 최고 품질이 아니어도 되는 곳부터 조용히 자리를 넓혀가는 중인 거죠.
정리하면 그래핀 상용화가 더딘 진짜 이유는 원자 한 겹짜리 완벽한 막을 크고 값싸게 만드는 게 물리적으로 너무 어렵기 때문이에요. 품질과 생산량이 서로 반대로 움직이는 딜레마가 핵심이고, 비용은 거기서 파생된 결과예요. 이 만드는 법의 벽을 넘는 순간 그래핀은 정말 세상을 바꿀 텐데, 지금은 그 문턱을 넘는 중이라고 보시면 된답니다 :)
채택된 답변그래핀은 성능하나는 정말 뛰어납니다. 똑가티 좋은 품질의 그래핀만 만들어 낸다면 참 좋은텐데 말이죠.
좋은 품질의 그래핀을 대면적으로 많이 만들어 내는 것이 상당히 어려운 기술입니다. 즉, 현재 가장 큰 걸림돌이 대량 생산과 대량 생산 시 품질을 일정하게 유지하는 기술 그리고 이로 인한 높은 제조 비용인 셈입니다.
그래핀은 다른 재료와 붙이거나 반도체 공정에 적용하는 과정도 쉽지 않아서 기대보다 느리게 성장하고 있는 것으로 보입니다. 그럼에도 배터리, 반도체, 복합소재 등 일부 제품에서는 이미 활용되며 연구가 지속되고는 있습니다.
개인적으로 생산 기술과 비용 문제가 해결된다면, 그래핀은 미래 산업의 핵심 소재 중 하나로 자리 잡을 가능성이 크다고 생각은 합니다.
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
그래핀 전기도 잘 통하고 강도도 뛰어나서 꿈의 신소재로 불리고 있지만, 실제 제품으로 쓰이는 것은 아직 넘어야 할 산들이 많아 보입니다.
가장 큰 문제는 실험실에서는 좋은 그래핀을 만들 수 있어도, 공장에서 같은 품질로 대량 생산하기가 쉽지 않은 점이 있습니다. 그래핀이 처음 만들어 질 때 스카치 테이프로 떼어서 만들었고, 노벨상까지 수상을 했었습니다. 이것은 대면적이 제한적인 방법이기 때문에 요즘은 CVD 방법으로 제조가 되는데, 고른 품질로 대량 생산이 어려움을 겪고 있습니다.
그래핀은 아주 얇은 구조기 때문에 작은 결함이나 층수 차이만 생겨도 전도성과 강도, 투명도, 같은 장점들이 크게 줄어들 수 있습니다. 그리고 기존 금속과 탄소소재, 실리콘 소재보다도 확실하게 싸고 좋다는 장점이 있어야 기업들이 설비를 바꾸던가 말던가 하는데, 아직 그런 비용적인 부담도 상당히 큽니다.
그래핀의 특성이나 장점들을 보면 분명 좋은 소재는 맞지만, 좋은 성능을 싸고 균일하게 반복적으로 생산해낼 수 있느냐가 아직은 난관인 것 같습니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
그래핀은 뛰어난 전기전도성과 강도 열전도성을 갖고 있지만 결함이 거의 없는 고품질 그래핀을 넓은 면적으로 균일하게 대량 생산하기 어렵고 비용이 높은 점이 가장 큰 상여화의 걸림돌입니다 또한 기존 반도체 공정과의 호환성 제품마다 성능이 달라지는 품질 관리 문제도 해결해야 할 과제로 남아 있습니다 최근에는 화학기상증착 공정 개선과 롤투롤 생산기술 그래핀 복합소재 개발 등을 통해 생산성을 높이고 비용을 낮추려는 연구가 활발히 진행되고 있습니다
안녕하세요.
그래핀이라는 소재는 전기가 매우 잘 통하고 가벼우면서도 매우 강해 꿈의 신소재라고 불리고 있어요. 문제는 이것이 연구실 수준에서는 좋은 그래핀을 만들어 낼 수 있는데, 공장에서 같은 품질로 대량 생산하는 것이 어렵다는 것이죠.
가장 큰 걸림돌 자체가 생산 과정에서 생기는 미세한 결함과 불순물이라고 생각해요. 그래핀이라는 것이 흑연 한층을 그래핀이라고 하거든요. 즉, 두께가 원자 한 층의 두께 구조입니다. 그렇기 때문에 아주 작은 흠집만 생겨도 그렇게 우수하다던 기계적, 전기적 성능들이 크게 떨어져버리는 거죠.
결국 산업에 적용될려면 좋은 그래핀을 싸고 많이 만드는 기술들이 필요합니다.
감사합니다.