GRAPHENE을 소개합니다.


최근 몇 년간의 연구를 통해 새롭고, 지속 가능한 소재들이 개발되고 있습니다. 그 중 하나가 포스팅에서 소개할 '미래의 소재'로 알려진 그래핀입니다.

 재밌는 것은 이 그래핀은 원래 흑연 덩어리에 스카치테이프를 붙였다가 떼어내면서 우연히 발견된 물질이였죠.
그래핀은 2010년 노벨 물리학상을 받으면서 본격적으로 주목받기 시작했고, 흔히 ‘꿈의 신소재’라고 불리고 있습니다.
현재 응용 연구 확대 및 상용화 진전, 대량 생산 기술의 발전으로 산업적 활용이 더욱 확대되고 있죠. <그래핀의 발견과 역사>
 

그래핀이란 무엇인가요?

그래핀은 흑연에서 추출된 순수한 탄소로 구성된 소재입니다. 그래핀은 강도, 유연성, 경량성, 높은 저항성 및 강철보다 200배 더 강하고 알루미늄보다 5배 더 가볍다고 알려져 있습니다.
이러한 특성 때문에 산업계에서 주목받고 있고, 쓰이는 분야 또한 에너지, 건설, 의료, 전자 나아가 스마트폰, 태양광 패널 등 다양한 분야에서 활용될 수 있게 되었죠.

최근에는 박테리아 제거와 세정 효과가 뛰어나다는 점도 주목받고 있어 향균 제품이나 세정 용품 같은 분야에서도 앞으로 쓰일 가능성이 점점 높아지고 있습니다.

 

그래핀의 특성과 속성

그래핀의 다양한 특성 중에서도 가장 중요한 특성은 높은 열 및 전기 전도성, 탄력성, 강도, 경량성, 저항성입니다.
이러한 특성은 여러 분야에 적용되어 그 산업 분야 내의 혁신을 일으킬 수 있으며, 실제로 큰 변화들이 나타나고 있습니다. 주요 특징들을 정리하자면,

<그래핀의 특징>

• 높은 전도성: 그래핀을 활용하면 배터리의 수명을 10배 연장하고 충전 시간을 단축시킬 수 있어, 자율성이 향상됩니다. 그래핀이 현재 사용되는 리튬 배터리의 상당 부분을 대체하는 것은 시간 문제로 보입니다.
• 경량성: 그래핀은 드론 배터리 제조에도 적합하여, 더 가볍고 강한 배터리를 만들 수 있습니다. 에너지를 축적하는 부품은 기술에서 가장 무거운 부분 중 하나이므로, 그 무게를 줄이는 것은 큰 혁신이 될 수 있습니다. 그래핀의 적용으로 현재 드론이 직면한 가장 큰 제한 사항 중 하나가 최소화됩니다.
• 투명성과 유연성: 그래핀은 투명한 소재로, 빛을 거의 흡수하지 않습니다(약 2%만 흡수). 이러한 특성과 유연성 덕분에 모든 종류의 장치에 유연한 스크린을 제조할 수 있습니다. 또한, 그래핀은 랩처럼 접을 수 있어 파손 가능성이 훨씬 낮습니다. 이는 휴대폰, 텔레비전, 차량 등 다양한 분야에 적용될 수 있습니다.
• 높은 저항성: 그래핀은 우수한 전기 전도체일 뿐만 아니라 매우 저항성이 높은 소재로, 조명 분야에서 큰 발전이 기대됩니다. 예를 들어, 그래핀 전구는 현재 사용되는 LED 조명보다 수명을 연장하고 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.
  
   

그래핀의 활용 및 응용 분야

<그래핀의 활용분야>

여러 산업 분야에서는 현재 그래핀에 주목하고 있다고 이야기 드렸습니다. 위에서 설명한 그래핀의 특성을 산업 분야에 적용하여 기존 방식의 한계를 깨뜨리고 더 좋은 제품이나 서비스를 제공할 수 있게 되었죠. 현재 그래핀을 사용하는 대표적인 사례를 꼽자면,

 

• 에너지 분야에서의 그래핀: 그래핀을 활용한 충전식 배터리 제조는 에너지 효율성 향상에 큰 도약이 될 수 있습니다. 이 소재는 장치의 과열을 방지하여 더 강하고 가벼운 제품을 만들 수 있고, 가정 내 다양한 소재에 적용하면 열 조절을 개선하여 냉난방 비용을 절감할 수 있습니다. 예를 들어, 그래핀을 포함한 페인트를 사용하는 것이 대표적인 사례입니다. 더 나아가, 이 혁신은 재생 에너지 분야에서 현재보다 훨씬 더 많은 에너지를 생성할 수 있는 전환점이 될 것으로 예상됩니다.
• 건설 분야에서의 그래핀: 건설 분야에서 그래핀을 적용하면 건물의 단열 성능을 향상시킬 수 있습니다. 뿐만 아니라, 부식, 습기, 화재에 대한 저항성을 높여 더 강하고 지속 가능한 구조물을 만들 수 있습니다. 건축 자재는 개선되고, '그린 콘크리트'와 같은 친환경 구성 요소가 사용되어 현재의 자재보다 더 좋은 성능을 보장하게 되죠.
• 의료 분야에서의 그래핀: 그래핀의 특성은 의료 분야에서도 흥미로운 기능을 제공합니다. 그래핀을 활용하면 더 강하고 유연하며 가벼운 보청기를 개발할 수 있습니다. 심지어 수술을 통해 삽입되는 뼈와 근육을 만드는 것도 가능하죠. 현재 연구 단계에 있지만, 그래핀 산화물은 질병 진단과 치료에 좋은 도구가 될 수 있을 것으로 보입니다. 그래핀 산화물은 그래핀이 산화될 때 얻어지는 요소로, 뛰어난 기계적 특성을 지닌 소재입니다.
• 전자 분야에서의 그래핀: 그래핀의 특성은 전자 분야를 완전히 변화시킬 수 있습니다. 그래핀을 적용하면 현재 사용되는 부품으로는 불가능한 더 작고 가볍고 강하며 효율적인 장치를 제조할 수 있습니다. 또한 그래핀을 전자 회로에 적용하면 장치를 습기에 강하게 만들어 내구성이 향상됩니다. 게다가, 그래핀은 구리보다 1,000배 더 우수한 열 및 전기 전도성을 지니고 있습니다.

 

최신 그래핀의 적용 분야(청소 위생 관리)

<그래핀 세정제 제품>

최근에는 신기하게도 그래핀을 활용한 다목적 세정제가 등장하면서 주목을 받고 있습니다. 박테리아와 바이러스를 제거하는 데 효과적인 그래핀의 특성이 입증된 덕분이죠. 따라서 청소와 위생관리가 중요한 여러 분야에서 기존 세정제보다 더 효과적이라는 평가도 받고 있습니다. 그래핀으로 만들어진 이 세정제는 베란다, 냉장고, 욕실 같은 곳에서도 다 쓸 수 있는 다목적 세정제라 굉장히 실용적이라는 평이 지배적입니다.
 

그래핀 최근 마켓 동향

그래핀은 전자, 에너지, 복합재료 등 다양한 산업 분야에서 활용되며, 시장 규모가 빠르게 성장하고 있습니다. 2023년 그래핀 시장 규모는 약 4억 3,270만 달러로 평가되었으며, 2032년까지 51억 9,320만 달러에 도달할 것으로 예상됩니다. 이는 연평균 성장률(CAGR) 31.8%에 해당합니다. (출처: Fortune Business Insights)

또한, 2024년 그래핀 시장 규모는 약 9,300만 달러로 추산되며, 2029년까지 38억 6,400만 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 이 기간 동안의 연평균 성장률은 4.77%로 전망됩니다.

이러한 성장세는 그래핀의 우수한 물리적 특성과 다양한 산업 분야에서의 응용 확대에 기인합니다. 특히 전자, 에너지 저장, 복합재료 분야에서 그래핀의 수요가 증가하고 있습니다.
지역별로는 아시아 태평양 지역이 그래핀 시장에서 가장 높은 점유율을 차지하고 있으며, 예측 기간 동안에도 이러한 추세가 지속될 것으로 예상됩니다. (출처: Mordor Intelligence)

그래핀 시장은 지속적인 연구 개발과 다양한 산업 분야에서의 응용 확대를 통해 앞으로도 높은 성장세를 유지할 것으로 전망됩니다.
 

최신 그래핀 연구와 도전 과제

한국은 그래핀 연구와 상용화에서 선도적인 위치를 차지하고 있습니다. 국내 여러 기업과 연구기관이 그래핀의 다양한 응용 분야를 개발하고 있으며, 특히 전자, 에너지 저장, 복합재료 분야에서 활발한 활동을 펼치고 있습니다.

주요 기업 및 연구기관:

• 삼성전자: 그래핀을 활용한 차세대 반도체와 디스플레이 기술을 연구하고 있습니다. 특히, 그래핀 기반의 투명 전극과 고성능 트랜지스터 개발에 주력하고 있습니다.
• LG화학: 그래핀을 적용한 배터리 소재 개발에 집중하고 있으며, 이를 통해 에너지 밀도와 충전 속도를 향상시키는 연구를 진행하고 있습니다.
• 한국과학기술연구원(KIST): 그래핀의 합성 및 응용 기술을 연구하며, 다양한 산업 분야에서의 활용 가능성을 모색하고 있습니다.

한국의 그래핀 시장은 전자 및 통신 산업의 성장과 함께 확대되고 있습니다. 특히, 그래핀의 우수한 전기적 특성과 열전도성은 전자 기기의 성능 향상에 기여하고 있습니다. 또한, 에너지 저장 장치와 복합재료 분야에서도 그래핀의 활용이 증가하고 있습니다.

그래핀 업체가 풀어야 하는 과제는

이런 우수한 신소재인 그래핀도 풀어야할 과제들이 있습니다. 대표적으로 아래 두 가지가 있죠. 이 과제들은 앞으로 그래핀을 업으로 삼는 기업들이 계속해서 풀어야할 숙제라고 생각합니다.
 

• 대량 생산의 어려움: 고품질의 그래핀을 대량으로 생산하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 제조 과정이 비용이 많이 들고 시간이 소요되며, 생산 규모를 확대하면서 품질을 유지하는 데 어려움이 있습니다. 특히, 화학 기상 증착(CVD) 공정을 통해 고품질의 단일층 그래핀을 생산하는 것은 대량 생산에 한계가 있습니다.

 

• 표준화의 부족: 그래핀 산업은 아직 초기 단계에 있으며, 규제와 표준화 작업이 미흡합니다. 여러 기업이 다양한 유형의 그래핀을 생산하고 있어 시장에서 혼란이 발생하고 있습니다. 이로 인해 품질이 낮은 그래핀이 유통되며, 최종 사용자들의 신뢰를 저하시키고 있습니다.

 

마치며

이번 포스팅에서는 그래핀이 무엇인지를 간단히 살펴보는 시간을 가져보았습니다. 그래핀의 특징 및 시장 상황 그리고 앞으로의 전망 등을 알아보았는데요. 이처럼 그래핀은 탁월한 특성으로 인해 과학과 기술의 다양한 분야에서 혁신을 이끌 잠재력을 지니고 있습니다.

저희 씨이비비과학의 그래핀에 관한 콘텐츠가 도움이 되셨길 바라며 그래핀과 관련된 문의나 궁금한 점을 남겨주시면 성실히 답변 드리도록 하겠습니다.

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.