플렉서블 신소재, 그래핀의 현재와 미래

서울대 자연과학대 화학부 홍병희 교수

2012. 5. 24.

1. 개요

- 소재 혁신의 중요성

과거 진공 소자, 벌크 소자, 실리콘 소자로 패러다임이 변화할 때마다 기존의 한계 성능을 돌파했다. 역시 현재의 한계 성능을 넘어서기 위해서는 신개념의 소자가 필요하다. 기술의 발전이 충분히 이루어졌기 때문에 유저 프렌들리(Comfort, Mobile, Flexible, Wearable)한 기술이 주가 될 것이다. 이를 위해서는 소재의 혁신이 필요하다. 실리콘이 한계에 도달한 것은 소재의 특성에 있다. 이를 뛰어넘을 수 있는 가장 유력한 물질이 그래핀이다. 예를 들어 과거 스마트폰 초기 터치패널의 면저항이 500옴, 최근의 터치패널은 100~200옴, 이 수준 아래로 내려가야 투명을 실현할 수 있다.

– 전자기기의 미래상

그래핀은 다양한 어플리케이션으로 적용이 확대될 수 있다는 점에서 노벨상의 의미가 있다. 플렉서블 기판이 크게 확대될 것으로 전망(특히 OLED, Solar Cell) 된다. 하지만 '모든' 소재가 ‘플렉서블’화 되어야 가능하다. 문제는 트랜지스터가 유기물 기반의 플렉서블 소재로 대체되어야 한다. 결국 모든 기술이 성숙되어야 가능하다.

– 유연한 전극의 필요성 : 그래핀

앞의 이야기를 전제로 한다면 우리에게는 유연한 전극이 필요하다. 현재 투명 전극으로는 ITO를 사용하고 있는데, ITO는 3D touching(force sensing)이 불가능하고, 구부렸을 때 깨지는 속성이 있다. 한편, 탄소나노튜브(CNT)는 금속성, 반도체의 속성을 정제하기가 어렵다는 점이 문제다. 그래핀의 가장 큰 강점은 금속성을 가진다는 점이다. 하지만 그래핀 만으로 반도체를 구현하는 것은 매우 어렵다. 얼마나 많은 시간이 걸릴지 모른다. 그럼에도 불구하고 전극의 용도로 쓰는 것은 매우 가까이 와있다.

– 그래핀이란 무엇인가?

흑연의 한 원자층에 해당하는 물질로서 탄소가 평면 상에 벌집모양으로 무한 배열된 구조를 지닌다.

- 그래핀의 특성

전자이동도가 실리콘의 100배로 매우 높으며, 모든 파장에 대해서 투명하다. 이외에 대부분의 특성에서도 ITO를 앞서고 있지만, 면저항이 아직 ITO에 비해 높은 수준이다. 일부 어플리케이션에서는 사용될 수 있는 수준이다. 애플 "지구상의 모든 물질을 테스트해 본 결과 그래핀의 성능이 가장 좋았다."

– 그래핀 소재 및 응용 부품

- 그래핀의 합성과 대량생산

그래핀의 종류에는 크게 2가지가 있다. 첫 번째는 화학적으로 대량 합성(R2R)한 그래핀(삼성, LG), 두번째는 그래파잇에서 역으로 추출(기계적 박리)한 그래핀(한화, 포스코)이다. 기계적 박리법으로 그래핀을 추출하는 것으로는 상용화가 불가능하다고 보면 된다. R2R로 대량 생산이 가능한 기술을 확보했고, 그래핀은 자원의 희소성에 관련 없기 때문에 ITO에 비해 가격이 저렴할 것이다. 내부적으로 2011년이면 상용화 될 것으로 예상했는데, 신뢰성이나 uniformity와 같은 요소들을 간과했다. 삼성테크윈은 장비에 매우 특화되어 있어, 에칭과 패터닝을 매우 잘 한다. 2013년 말이면 의미 있는 성과가 나올 것으로 본다.

– 그래핀 상용화의 주요 이슈

합성, 트랜스퍼(패터닝), 도핑(그래핀에 전자를 가감하는 것, 그래핀의 잠재성을 보여주는 부분)이 주요 테크니컬 이슈라 볼 수 있다. 삼성전자는 그래핀과 실리콘 barrister 조합으로 연구를 진행중인데, 그래핀의 결함이 아주 잘 컨트롤되어야 한다는 단점이 있다. 마이크로 어플리케이션에서는 아직 불가능하다. 합성할 때 결함이 많이 생기기 때문에 신뢰성을 보장할 수 없다. 이 부분이 개선되면 획기적인 변화가 나올 것. 하지만 5년 이상을 걸릴 것으로 예상된다. 한편, 기판 기술이 매우 중요하다. 그래핀을 어느 기판에 올리느냐에 따라 매우 달라진다. 하지만 국내에는 그래핀용 기판을 만들 수 있는 회사가 아직 없다(R&D 중인 회사는 아이컴포넌트, 율촌화학, 코닝).

- 그 외 그래핀의 응용

thermal management(방열)에 적용할 수 있으며, 포스코가 연구중이다. 유기물과 친하기 때문에 OLED에 적용했을 때 ITO보다 더 높은 성능을 구현할 수 있다. 그리고 gas 분자보다 그래핀 분자 구조가 더 촘촘하기 때문에 gas barrier로 사용할 수도 있다.

2. 그래핀 연구개발 현황

- 논문 및 특허

그래핀에 대한 연구는 CNT 등에 비해서 늦게 시작되었지만 매우 빠른 속도로 진행되고 있다. 한국은 application 연구가 타 국가에 비해 매우 활발하게 진행되고 있다. 초기 특허를 확보하는 것이 매우 중요한데 여기서는 삼성이 매우 앞서 있는 상황이다. 특히 세계 10대 그래핀 특허 발명자 중 7명이 한국인이며, 모두 삼성과 성균관대 소속이다.

– 각 국의 그래핀 프로젝트

EU는 FET Flagship 프로젝트를 향후 10년간 진행하며 1.5조 원을 투자할 계획이다. 미국는 반도체 중심으로 연구가 집중되어 있는데, 반도체의 경우 그래핀만으로는 어렵다. 상용화는 전극이 훨씬 빠르다. 싱가폴의 경우 정부의 지원이 강하고, 일본이 가장 큰 경쟁자가 되지 않을까 생각한다. 한국의 경우 지경부 그래핀 상용화 프로젝트가 진행중이다. Display, Energy, Composite 3개 분야, 9개 어플리케이션(5년 이내 상용화)에 대해 R&D를 펼치고 있다.

3. Q&A

Q. 상용화 분야와 시기?

A. 반도체에 응용은 최소 5년이 걸릴 것으로 본다. 플렉서블 디스플레이(전극용)는 올해 말 혹은 내년 초에 조금씩 열릴 것으로 본다. 삼성전자의 경우 안정화 능력(수율)이 매우 뛰어나다.

Q. 삼성테크윈과 일하게 된 계기? 다른 회사들도 양산할 수 있는지?

A. 대량 생산 논문을 내기 전에 찾아와서 같이 시작을 하게 되었다. 삼성테크윈은 R2R에 매우 특화되어 있어 시너지를 낼 수 있다고 생각했다. 주요 특허 5개는 공동으로 가져가지 않고 성균관대가 보유하고 있다. 그렇기 때문에 licensing 한다면 다른 회사들도 사용할 수 있을 것이다. 그래핀 합성의 경우 다양한 방법이 있다. R&D에 특허를 활용할 수 있는 여지가 있다.

Q. 디스플레이에 적용시 가격이 매우 중요한 요소다. ITO 대비 가격경쟁력은 어느 정도인지?

A. ITO에는 2가지 퀄리티가 있다. 접촉면의 ITO는 판가가 m2당 140만 원(니토덴코)에 이르는데, 현재 그래핀은 m2당 7만원에 만들 수 있다. 접촉면의 ITO 절반 수준의 가격에 판매할 수 있지 않을까 예상한다.

4. 관련 종목

- 삼성전자, 삼성테크윈, SSCP, 아이컴포넌트 등

5. 결론

향후 4~5년 간 IP 확보가 매우 중요할 것으로 보인다. 합성 기술은 삼성테크윈이 독보적이다. 그렇지만 KEY는 완성 업체인 노키아, 애플, 삼성이 쥐고 있다. 결국 어플리케이션 개발 의지가 있어야 적용이 가능하다는 점을 명심해야 한다. 또한 상용화까지는 아직 성숙되지 않은 기술이기 때문에 섣부른 접근은 피해야 한다.

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