그래핀의 원자 구조 사진/ IC
2018년 2월 25일 밤에 열린 평창 동계올림픽 폐막식에서 기술과 문화가 공존하는 ‘베이징 8분’ 공연이 상연됐다. 깜찍하고 귀여운 팬더, 멋진 동작으로 연기를 소화하는 빙상경기 선수, 화려하고 장엄한 시간의 교차 장면, 첨단기술로 무장한 스마트 로봇과 얼음 위에 구현된 회전 아이스 디스플레이(ice display) 등 다양한 콘텐츠가 펼쳐지며 관객들에게 짜릿한 즐거움을 선사했다. 그러나 시왕(烯旺) 신소재테크 주식회사(이하 ‘시왕테크’)의 리웨추(李月秋) 부사장은 긴장한 채 TV를 통해 공연을 지켜봤다. 리 사장은 공연자들의 몸에서 시종일관 빛을 발하는 얇은 ‘홑옷’에 온 신경을 집중했다.
이 홑옷은 시왕테크가 베이징의상대학과 손잡고 이번 평창 동계올림픽용으로 개발한 공연복이었다. 리 사장은 “언론에서 이번 한국의 평창 동계올림픽이 역대 가장 추운 동계올림픽이라고 했다. 공연자들이 공연을 펼쳤던 날의 밤 9시 15분(한국 시간)은 기온이 영하 3℃까지 내려갔다. 추운 환경 속에서도 홑옷을 입은 공연자들이 따뜻하다고 느끼도록 하는 것이 우리의 과제”라고 말했다.
추위를 이기는 홑옷의 비밀은 바로 최근 가장 주목받고 있는 신소재 ‘그래핀’에 있다. 그래핀은 흑연재에서 떼어낸 새로운 형태의 2차원 탄소재다. 단겹의 탄소 원자로만 이뤄졌으며, 육각형 벌집모양에 따라 배열된 평면 결정체이다. 2004년 영국 맨체스터대의 앙드레 가임(Andre Geim) 교수와 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 교수가 흑연에서 그래핀 분리에 성공한 뒤 여러가지 뛰어난 기능이 발견되면서 세계의 관심이 집중됐다. 이들은 2010년 노벨 물리학상 수상자로 선정되기도 했다. 그래핀은 현재까지 밝혀진 소재들 가운데 가장 두께가 얇고 강도와 연성(延性)이 뛰어나며 투광률과 전도율이 우수한 소재로 평가받는다.
재료화학적 측면에서 그래핀은 자원, 환경, 화학, 소재, 에너지, 센서, 교통설비, 광전자통신, 스마트 헬스, 항공우주 등에 일대 혁명을 일으킬 것으로 전망된다. 이 때문에 ‘21세기를 바꿔 놓을 신소재’, ‘전략 첨단소재’로 일컬어지기도 한다. 가오차오(高超) 저장(浙江)대 고분자과학공학과 교수는 “인류는 이제 석기, 구석기, 청동기, 철기시대를 지나 규소(실리콘)를 주요 물질적 매개로 하는 정보시대에 들어서고 있다”면서 “양자(quantum)시대에 가장 두각을 나타내는 재료는 무엇일까? 나는 그것이 그래핀이라고 본다”고 말했다.
2018년 2월 25일 밤, 평창 동계올림픽 폐막식에서 펼쳐진 ‘베이징 8분’ 공연에서 ‘지면 프로젝터 스크린 기술’과 ‘자동 아이스 디스플레이 기술’이 활용됐다. 그래핀 발광의상을 걸친 24명의 스케이트 소년들과 커다란 팬더의 모습이 화려하게 어우러지며 완벽한 하모니를 연출했다. 사진/ CFP
미래 성장동력의 ‘핵심 소재’
현재 세계 각국에서는 미래 전략소재로 떠오른 그래핀을 둘러싼 연구개발과 상업화가 활발하게 진행되고 있다. 세계 그래핀 매장량 1위를 차지하는 중국은 다년 간의 노력을 통해 그래핀 연구와 응용개발이 가장 활성화된 국가 중 하나로 거듭났다.
중국 경제는 2012년부터 ‘중고속 성장’으로 대표되는 이른바 ‘신창타이(新常態·New normal)’에 접어들었다. 때문에 산업 고도화와 신성장동력 육성에 그 어느 때보다 관심이 집중되고 있다. 그래핀은 신소재 산업을 선도하는 소재로서 전통 제조업의 질적 전환과 고도화를 촉진하고, 신흥산업의 성장동력을 육성하며, ‘대중의 창업과 만인의 혁신’을 자극하는 역할을 더해가고 있다. 또 중국 정부도 이에 발맞춰 적극적인 그래핀 산업 육성 방침을 이어가고 있다.
2015년 그래핀과 관련한 첫 국가 차원의 강령(綱領)성 문건인 ‘그래핀 산업 혁신발전 촉진에 관한 몇 가지 의견’이 발표됐다. ‘의견’에는 그래핀 산업을 선도 산업으로 육성하고 2020년까지 그래핀 산업 체계를 구체화해 나가겠다는 내용이 담겼다. 2016년 5월 국무원이 발표한 ‘국가 혁신드라이브 발전전략 요강’에는 수소에너지, 연료전지 등 차세대 에너지 기술을 개발하고 나노, 그래핀 등 신소재의 산업 발전 견인 역할을 강화하겠다는 내용이 포함됐다. 중국 정부는 현재까지 10개가 넘는 그래핀 산업 발전 장려 및 지원 정책을 내놓은 상태다.
각종 지원 정책과 함께 그래핀과 관련된 연구개발 사업도 동시에 진행 중이다. 2011년 10월, 중국 그래핀 산업의 선구자로 꼽히는 펑관핑(馮冠平) 선생은 장쑤(江蘇)성 창저우(常州)시에 중국 최초의 그래핀 소재 응용연구 산업기지인 ‘장난(江南)그래핀연구원’을 설립했다. 그 뒤 중국 각지에서 흑연자원이 풍부한 곳을 중심으로 그래핀 산업기지 조성 계획이 잇따라 발표됐다. 중국의 싱크탱크 ‘사이디즈쿠(賽迪智庫)’가 발간한 ‘2017 중국 그래핀 산업지도 백서’에 따르면 2017년 현재 중국 각지에 조성되었거나 조성 예정인 그래핀연구원 또는 산업기지는 30곳이 넘는 것으로 나타났다. 중국 그래핀 산업에 ‘한 곳의 중심지, 두 곳의 벨트, 여러 곳의 거점’ 구도가 형성되고 있는 것이다.
‘한 곳의 중심지’가 가리키는 지역은 바로 베이징이다. 베이징은 중국 그래핀 산업연구의 핵심이자 가장 높은 경쟁력을 자랑하는 곳이다. 칭화(淸華)대, 베이징(北京)대, 베이징항공재료연구원, 국가나노과학센터 등 그래핀의 대표 과학연구기관이 대거 몰려있고, 관련 학계를 이끄는 20여 명의 대표 연구자들과 연구팀을 보유하고 있다.
중국과학원 원사(院士·과학계 최고 권위자에게 주는 명예호칭)인 류중판(劉忠範) 베이징대 교수는 “현재 베이징 지역의 그래핀 연구개발 성과는 이미 국제적인 수준에 올랐거나 이미 선두를 달리고 있다”며 “그래핀은 다양한 방면에 응용되고 있으며, 산업화를 추진 중인 여러 혁신기업들이 생겨났다”고 설명했다. 한때 베이징 그래핀연구원 설립에 앞장서기도 했던 류 교수는 연구원의 차기 발전 목표에 대해 “10년 내 3000억 위안(약 50조7900억원) 규모의 그래핀 산업 클러스터를 조성하는 것”이라 귀띔했다.
‘두 개의 벨트’는 산둥(山東), 장쑤, 상하이(上海), 저장, 푸젠(福建), 광둥(廣東) 등 동부 연안을 따라 형성된 연해 산업벨트 및 북부 네이멍구(內蒙古)-헤이룽장(黑龍江) 지역에 형성된 산업벨트를 가리킨다. 그래핀 산업이 발전 중인 쓰촨(四川), 충칭(重慶), 구이저우(貴州), 광시(廣西), 산시(陝西) 등지는 ‘여러 개의 거점’ 역할을 한다.
현재 그래핀 소재는 ▶방열·발열 소재, 고강도 경량재, 정전기 방지 ▶터치스크린 ▶집적회로 등 크게 세 가지 분야에서 활용되고 있다. 이 가운데 방열·발열과 정전기 방지 기능은 방직·섬유 산업과 결합했을 때 더욱 손쉽게 구현되기 때문에 그래핀 산업 클러스터에는 이들 기업이 매우 많다. 펑 선생이 설립한 시왕테크 역시 그 중 하나다.
2015년 시왕테크는 설립 당해 세계 최초의 그래핀 발열복과 물리치료용 허리보호대 등 발열제품 개발·출시에 성공했다. 2017년 중국 관영매체 중앙텔레비전방송국(CCTV)의 설 특집 프로그램인 ‘춘제롄환완후이(春節聯歡晚會)’ 구이린(桂林) 촬영지에 그래핀 스마트 난방설비를 협찬하기도 했다. 이번 베이징올림픽조직위원회가 주관한 2018 평창 동계올림픽 폐막식 ‘베이징 8분’ 공연에서는 그래핀 스마트 의상 제작을 맡았다.
이 밖에도 그래핀과 방직섬유의 결합 산업에 있어 ‘업계의 강자’로 불리는 난퉁창성(南通强生)그래핀유한회사(이하 ‘난퉁창성’)를 빼놓을 수 없다. 2017년 10월 11일 난퉁창성은 ‘창성 쿄렌(Kyorene) 그래핀 복합섬유’를 정식 출시했다. 항균, 진드기 방지, 내열성, 정전기 및 자외선 방지 기능과 함께 잘 찢어지지 않고 원적외선 방출 등의 특성을 갖춘 그래픽 신소재 가운데 그래핀 복합 나일론과 복합 폴리에스테르 장·단섬유는 이미 대량생산과 판매가 이뤄지고 있다. 샤샤오린(沙曉林) 난퉁창성 회장은 “이미 중국 2천곳이 넘는 의류·편직·가정용 직물 업체와 연계되어 있으며, 100곳 넘는 업체와 방적실 구매 및 신제품 협력개발 단계에 있다. 10곳과는 대량구매 협상 중에 있고, 주문량도 꾸준히 늘고 있다”고 밝혔다.
그래핀 최초 발견자가 노벨상을 수상한지 10년도 채 안 돼 중국의 그래핀 산업은 기초연구와 산업전략, 기술응용 등 다방면에서 뛰어난 성과를 거뒀다. 현재 중국의 그래핀 특허출원 건수는 전 세계 건수의 69.6%에 달한다. 중국에 등록된 그래핀 기업 수만도 2천곳을 훌쩍 넘는다. 허옌리(賀燕麗) 중국화학섬유공업협회 부회장은 “그래핀은 21세기 가장 혁명적인 신소재로서 중국 관련 산업의 ‘공급측 개혁’에 새로운 활력을 불어넣을 것”이라며 낙관적으로 전망했다.
2017년 9월 24일, ‘중국 국제 그래핀 혁신 컨퍼런스’의 그래핀 소재 응용박람회 현장 사진/ CFP
고부가가치화를 위한 총력전
그래핀은 사실 인간만이 개발할 수 있는 소재는 아니다. 본래 자연계에도 존재하지만 분리해내기 어려운 단층 구조로 되어 있다. 노벨상을 수상한 두 교수가 발견한 그래핀의 뛰어난 강도와 연성은 주로 단층 구조에서 가장 잘 발현된다.
샤오진쑹(肖勁松) 중국 공업정보화부 싸이디연구원 원재료연구소 소장은 “그래핀은 단층 구조에서 각종 성능이 최대치로 발휘된다. 층이 많아지면 우수한 성능들이 저하되고, 열 층 이상이 되면 더 크게 떨어져 도저히 그래핀으로 부를 수 없을 지경까지 된다”며 “그런데 중국 관련 업계는 현재 열 층 이하 구조를 모두 그래핀으로 부르거나 유사 제품까지도 모두 그래핀으로 부르고 있는 상황이다. 시장 혼탁 현상이 매우 심각하다”고 우려를 나타냈다.
류 교수는 “중국은 그래핀 기초연구나 산업응용 면에서 모두 세계 선두를 달리고 있지만, 산업계는 단층을 엄격하게 구분 짓지 않고 열 층 이내의 구조를 모두 그래핀 표준으로 묵인하고 있다”며 “물론 학계 표준과 산업 표준이 꼭 같을 수는 없다. 다만 산업의 경우 단층으로는 제품 생산이 어렵다. 이렇게 되면 아무도 생산을 할 수 없게 된다. 따라서 기준 완화는 필수적”이라고 지적했다.
4월 10일, 쓰촨성 쑤이닝(遂寧)시 국가경제기술개발구에 있는 ‘쓰촨그래핀연구원’에서 한 연구원이 산화 그래핀 생산에 몰두하고 있다. 사진/ CFP
샤오 소장은 빠르게 진행 중인 그래핀 산업화의 적절성 여부에 대해서도 자신의 의견을 밝혔다. 미국 관련 기관의 연구를 살펴보면 그래핀에 대한 기술수준 평가 등급이 있다는 것을 알 수 있다. 1~4등급은 실험실 연구 단계, 5~6등급은 산업화 예비 단계, 7~9등급은 기술 안정과 산업화 단계다. 미국 산업계는 그래핀이 현재 실험실 연구 단계에 있고 기술 성숙도는 3~4단계 정도로 아직 대규모 생산에는 적합하지 않다고 판단하고 있다. 그래핀 시장이 초기 단계에 머물러 있다고 보는 것이다.
중국의 경우 아직 안정화되지도 않은 기술을 성급히 시장에 내놓고 그래핀의 대규모 생산에 성공했다고 떠드는 연구소나 실험실이 허다한 상황이다. 그러다보니 아직 기업의 장기적인 수익은 기대하기 힘들다. 수익 창출력보다 더욱 심각한 문제는 산업의 저부가가치화다. 샤오 소장은 지난 1월 30일 열린 ‘2018 중국 국제 그래핀산업 발전포럼 및 중관춘(中關村) 그래핀산업연맹 연차총회’에서 중국 그래핀 산업의 저부가가치화를 경계해야 한다고 경고한 바 있다.
웨이디(魏迪) 베이징 그래핀연구원 집행원장은 샤오 소장의 말에 공감했다. 현재 중국 시장에는 패션, 페인트, 복합소재, 흡착윤활제품과 리튬전지, 휴대전화 터치스크린 등 갖가지 그래핀 제품들이 있지만, 해외 시장과 비교하면 품질이 낮은 수준이다. 웨이 원장은 “유럽연합(EU)은 그래핀 플래그십 계획에 따라 17개의 새로운 그래픽 연구사업에 착수했다. 이들은 그래핀 슈퍼카, 사물인터넷(IoT) 센서, 웨어러블 기기, 헬스케어, 데이터통신, 에너지 기술, 복합소재 등 최첨단 미래 영역에 주목하고 있다. 향후 그래핀 산업은 어디에나 조금씩 들어가는 ‘MSG첨가제’ 방식이 아닌, 그래핀 소재를 ‘비장의 무기급’으로 활용하는 쪽으로 발전시켜야 할 것”이라고 강조했다.
샤오 소장은 여기에 더해 중국이 그래핀의 ‘비장의 무기급’ 응용과 특수 활용 시장을 찾아내는 것이 급선무라고 지적했다. 그래핀 산업 연구가 국가 중대 전략과 궤를 같이 하고 차세대 통신기술, 항공우주설비, 신에너지 등 미래지향적 산업 전략 수립에 함께 나서야 한다는 것이다. 또한 중국이 그래핀 산업의 발전 방향과 현 단계를 재검토하고 면밀히 평가하여 산업이 엉뚱하거나 잘못된 방향으로 나아가지 않도록 해야하며, 그래핀 기술안정화 로드맵을 조속히 수립해야 한다고 조언했다.
샤오란(肖瀾) 베이징시 과학위원회 신소재발전센터 센터장은 “중국 그래핀 산업은 해외에서 상대적으로 경쟁력이 있으며 최고 수준의 산업 기반도 갖추고 있다. 하지만 아직까지는 산업 초기 단계로서 산업계, 투자계, 테스트 업계 등 각 측이 손잡고 산업을 활성화시키려는 노력이 필요하다”며 “산업의 열기는 쉽게 뜨거워지지만 식는 것도 빠르다. 이에 따라 지속적인 자금 투입이 중요하다”고 강조했다.
샤오란 센터장은 과학연구 혁신의 관점에서 그래핀의 응용 혁신은 지난한 ‘마라톤 과정’이 될 것이라 내다보았다. 그는 “그래핀의 독특한 특성을 제대로 구현해 내려면 중국은 물론 전 세계 과학자들이 힘을 합쳐야 한다”면서 “특히 그래핀 박막소재의 기술적 난관이 해결되기만 하면 그래핀 업계에 가히 ‘혁명적 변화’가 일어날 것”이라고 전망했다.
그래핀 산업의 고부가가치화와 관련, 중국 정부는 산업계보다 발 빠르게 움직이고 있다. 2017년 1월 공업정보화부, 발전개혁위원회, 과학기술부, 재정부 등 중국 정부부처는 공동으로 ‘신소재 산업발전 가이드’를 발표하고 13차 5개년 계획 기간에 그래핀 소재의 대규모 생산과 마이크로 나노구조 측량 및 특징화 등 핵심 공통기술 솔루션을 개발하겠다는 계획을 제시했다. 아울러 대형 그래핀 박막 제조설비와 그래핀 소재 전용 계량·측정기기 개발을 통해 그래핀의 층수와 사이즈 등 핵심 변수를 효과적으로 제어하겠다는 방침이다.
향후 그래핀이 실험실 단계를 벗어나 제대로 된 산업화를 이룰 수 있을 지는 이러한 끊임없는 기술연구와 솔루션 개발의 성공 여부에 달려있다.
