㈜참트론, “해양수산에 ‘그래핀’ 접목하면 혁신 가능”
㈜참트론, “해양수산에 ‘그래핀’ 접목하면 혁신 가능”
  • 박종면 기자
  • 승인 2019.04.08 09:22
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‘그래핀 구명조끼’로 해상 저체온증 사망사고 예방
▲ 그래핀 기술 선도기업 (주)참트론 임직원

[현대해양] 꿈의 신소재(新素材, new materials)라 불리는 그래핀으로 해양수산 혁신을 이끄는 기업이 있어 화제다. 경기도 수원시 수원벤처밸리2에 본사를 두고 있는 주식회사 참트론(charmtron)은 꿈의 신소재이자 차세대 신소재인 그래핀을 활용해 그래핀 필름, 그래핀 히터, 그래핀 잉크 등을 연구 개발하고 있는 수출유망 중소기업이다.

그럼 그래핀(graphen)이 무엇이길래 꿈의 신소재, 차세대 신소재라 불리는 것일까. 그래핀은 세상에서 가장 얇고 가벼우며 전도성이 높은 물질로 다양한 산업 분야에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 다양하게 응용함으로써 제품성능 개선 및 신기술 개발이 가능해 세계가 주목하고 있는 신비의 소재로 알려져 있다.

 

흑연에서 벗겨낸 단층 탄소 원자막

그래핀은 우리가 잘 아는 연필심에 사용되는 흑연의 한 층을 떼어낸 얇은 막을 일컫는다. 즉 흑연은 탄소가 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 여러 층으로 쌓여 있는 구조인데, 그래핀은 이 흑연의 표면층을 한 층(겹)만 떼어낸 탄소 나노물질이다.

그래핀은 두께가 원자 한 층 두께에 해당하는 0.35nm(나노미터, 1nm는 10억분의 1m) 정도로 매우 얇아서 투명성이 높고, 상온에서 구리보다 전류 밀도가 150배 높다. 실리콘보다 100배 이상 전하를 빨리 전달할 수 있다. 면저항은 구리의 35%, 강도는 강철의 200배이자 다이아몬드의 2배 이상이면서도 가볍고 변형이 자유롭다. 열전도율은 다이아몬드의 2배 이상이다. 투명도는 98%로 빛 투과율이 높다.

또한 그래핀은 휘어짐, 신축성도 매우 뛰어나며, 부식되지 않고 방수 기능까지 있어 꿈의 나노물질이라 불리기도 한다. 어떤 이들은 그래핀을 두고 만능 신소재라고도 한다.

그래핀의 역사는 그리 길지 않다. 그래핀이 발견된 것은 불과 15년 전인 2004년. 영국 맨체스터대학교 안드레 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 박사가 재미삼아 ‘가장 얇은 막’ 만들기를 시도하다가 탄소 원자가 한 층을 이루면 완전 다른 특이한 특징을 갖는다는 사실을 알게 됐고, 이를 과학 학술지에 발표함으로써 그래핀이라는 신물질이 세상에 알려지게 됐다고 한다. 이 두 과학자는 2010년 그래핀으로 노벨 물리학상을 수상하는 세계 최고의 영광을 얻기도 했다.

 

그래핀 실용화에 뛰어든 김용기 대표

▲ 얇은 구리막(왼쪽)에 그래핀을 함성해 만든 그래핀 필름(오른쪽)

그래핀을 발견한 것은 영국이지만 이를 상용화 하는 데 가장 큰 기여를 한 나라는 바로 한국이라 할 수 있다. 국내에서는 2009년 홍병희 성균관대 교수(현 서울대 재직)가 그래핀으로 휘어지는 작은 투명필름을 개발했다. 그리고 과학 학술지 ‘네이처’에 이를 발표하면서 그래핀 실용화를 위한 노력이 본격적으로 시작됐다고 할 수 있다. 이후에 세계 각국에서 그래핀을 이용한 투명필름, 트랜지스터 등이 나오기 시작했던 것이다.

㈜참트론이 설립된 것도 이 무렵이다. 성균관대학교 물리학과를 졸업하고 이 대학원에서 석사와 박사학위(Ph.D)를 취득한 김용기 대표이사 사장은 그래핀의 가능성을 일찌감치 높이 평가했다고. 김 대표는 2010년 8월 그래핀을 본격적으로 연구, 개발, 실용화하기 위해 법인(주식회사)을 설립하고 CEO가 됐다고 한다. 말하자면 김 대표는 그래핀 산업화 1세대인 것이다.

그럼 만능 신소재 그래핀은 어디에 어떻게 쓰일 수 있기에 김 대표를 그래핀 사업에 뛰어들게 만들었을까? 김 대표는 “찜질기, 안대, 온열패치 등의 의료용품, 그릴, 팬 등의 주방용품, 레저용품, 군화, 발열깔창, 벨트(복대), 투명전극(전지), 의류, 방석, 시트, 베개, 차량용 컵홀더, 족욕기, 핫팩, 온열용품, 미용재료, 스마트폰 등 그래핀을 활용할 수 있는 곳은 무궁무진하다”며 “그야말로 만능 신소재라 할 만하다”고 말했다.

한 예로 굴지의 글로벌 기업인 삼성전자는 최근 기존의 리튬전지보다 성능이 탁월한 그래핀 볼(Graphin ball) 전지를 스마트폰에 접목시켜 5배 빠른 배터리 충전속도를 실현시켰다고. 뿐만 아니라 그래핀 볼 소재를 사용한 배터리는 전기차용 배터리가 요구하는 온도 기준인 60℃까지 안정성을 유지할 수 있다고 한다.

휘어지는 액정화면도 그래핀을 응용함으로써 가능해진 것이다.

 

중국 정부 그래핀 산업 육성

그래핀은 생산 방식에 따라 크게 흑연에서 그래핀을 벗겨내는 그래핀 플레이크(flake)와 카본을 함유한 에탄가스 등에 열을 가해 합성하는 화학기상증착법(化學氣相蒸着法, CVD)으로 만드는 그래핀 필름으로 구분된다. 그래핀 응용분야도 생산 방식에 따라 달라진다.

㈜참트론에서 연구 개발 생산하는 주요제품은 그래핀 용액(잉크), 그래핀 필름, 그래핀 필름히터 등이다. 이것이 가능한 것은 그래핀 응용에 필수적인 고기능성·고분산성 그래핀 잉크(가루에 액체 혼합) 제조기술 및 응용기술을 이 회사가 보유하고 있기 때문이다.

무엇보다 이 기업은 고품질의 단층 그래핀을 연속 생산할 수 있는 획기적 생산성의 롤투롤(Roll to Roll) CVD 장비를 자체 연구 개발해 200mm 폭, 300mm 폭 등의 대단위 고품질 그래핀 필름을 생산하고 있다.

현재 ㈜참트론의 그래핀 기술 및 제품은 디스플레이 산업 분야의 투명전극과 방열, 전자파 차폐소재, 조명산업 등에 적용되고 있다. 또 응용기술의 추가 개발을 지속적으로 진행하고 있어 다양한 산업분야에 접목이 가능할 것으로 예상된다.

㈜참트론에서 개발, 생산된 그래핀 필름히터는 의료용 벨트(복대), 발열조끼 등의 의류, 발열 헤드폰 및 귀마개, 컵홀더 등에 주로 쓰이고 있다. 가장 최근엔 이 회사가 자체 개발한 그래핀 히터필름을 장착한 눈마사지기가 중국에서 본격 생산, 시판에 들어가면서 인기를 끌고 있다고 한다.

이처럼 ㈜참트론 고객들은 중국에 많이 포진해 있다. 그 이유는 중국이 국가 차원에서 그래핀 산업 육성에 나서고 있기 때문이다. 중국은 풍부한 흑연자원을 최대한 활용한다는 의도가 깔린 것이다. 거기에다 그래핀이 몰고올 혁명의 가능성을 높이 평가하기 때문이라고.

김 대표는 “중국 기업들은 그래핀을 직접 생산, 가공할 뿐만 아니라 우리 같은 유망기업이 개발한 그래핀 히터필름을 활용한 건축자재, 옷감, 배터리 소재 등 다양한 제품을 생산하고 있다”고 해외시장 현황을 전했다. ㈜참트론은 중국 외에도 일본, 독일, 캐나다 등의 굴지의 기업들과도 B2B 판매망을 넓혀 나가고 있다.

 

▲ 화학기상증착기를 설명하고 있는 김용기 대표

이런 해외시장 환경과 국내 수요에 따라 ㈜참트론은 CVD 그래핀을 비롯한 고부가가치 기술 개발에 매진하고 있다. 특히 전 세계의 관심사인 차세대 반도체, 배터리 등에서도 그래핀을 이용한 원천 기술을 개발한다면 우리나라가 신소재 강국으로 자리매김할 수 있을 것이라고 보고 있다. 그래핀 활용 산업 발전 가능성이 활짝 열려 있다는 사실은 기업과 기업가를 더욱 고무시킨다.

그래핀 업계 선도기업

2010년 설립된 ㈜참트론은 2012년 한국화학연구원과 ‘그래핀 분산 기술 이전’ 독점계약, 중소기업청으로부터 벤처기업 인정 이후 꾸준히 성장하고 있다. 같은 해 중소기업청 산학연연구개발사업(OLED장비기술)에 선정됐으며, 2013년에는 기업부설 연구소 설립과 공장등록을 마침으로써 본격적으로 도약하기 시작했다. 또 ISO 9001 & ISO 14001 인증, 기술혁신형기업(INNO-Biz )인증을 획득하면서 중기청 창업성장, 공정개선 기술개발 사업 과제에도 선정됐다.

특허도 다양하다. OLED 증착 기술 관련 특허 2건을 등록한 것을 비롯, 그래핀 필름 및 연속생산 장비 관련 특허 등록 4건, 그래핀 공정 및 면상발열체 관련 특허 등록 3건, 그래핀분산기술 관련 특허 전용실시권 등록 1건, 그래핀분산기술 관련 특허 출원 1건, 면상발열체 관련 특허 출원 3건, 그래핀 필름 연속생산 장비 및 면상발열체 미국, 중국 특허 출원 각 3건 등 업계 최고 수준의 그래핀 특허를 국내외에 다수 보유하고 있다.

이런 연구 노력의 결과 ㈜참트론은 중소기업청 ‘수출역량강화사업’ 지원 업체 선정, KOTRA 해외 투자유치 지원업체 선정, ‘경기도 기업주도 기술개발 지원 사업’ 선정, 수출유망중소기업 선정(중소기업청), 수출프런티어기업 선정(경기도) 등의 성과를 창출할 수 있었다.

㈜참트론은 2015년 공영방송 과학프로그램(KBS 장영실쇼)에 국내 그래핀 업계를 선도하는 그래핀 전문 기업으로 소개되기도 했다.

 

해양수산 분야에 유용한 그래핀 개발

㈜참트론 김용기 대표는 △산업통상자원부 기술혁신평가위원 △교육과학기술부 국가기술수준평가위원 △중소기업기술개발 지원사업 평가위원 △한국산업기술진흥원 ‘KIAT 기술사업화 현장 서포터즈’ 등에 위촉돼 활발한 활동을 하고 있다.

무엇보다 ㈜참트론의 가장 큰 경쟁력은 R2R(Roll to Roll) CVD 그래핀 필름 대량생산 체제와 △고온 균일성 △다양한 온도 영역 △다양한 형태의 발열체 △200℃ 이상의 고온 면상발열체 제조기술 등 그래핀 면상발열체 디자인 및 제조기술을 확보하고 있다는 것이다. 이는 경쟁력 있는 고품질 저단가의 그래핀 필름 대량 생산을 가능케 한다. 이는 기업의 경쟁력이기도 하지만 (對)중국 수출 등에 우위를 차지하는 국가 경쟁력이기도 하다.

 

양식장 히트펌프 대체 가능

요즘 ㈜참트론은 해양수산 분야를 위해 무엇을 할 수 있을까에 포커스가 맞춰지고 있다. 이 분야의 무한한 가능성과 국가 경쟁력 향상을 확신하는 반면 다른 그래핀 기업들의 관심에서 멀어져 있는 것이 안타깝다는 이유에서다.

김 대표는 “만능 신소재 그래핀은 레저, 의료, 군사, 의류, 자동차, 건축자재 등 다양한 분야에 쓰일 수 있지만 특히 요트, 보트, 구명조끼, 해양드론용 전지, 유류 방재용 스펀지, 방오도료, 양식장 히트펌프 대체품 등 해양수산 분야에 다양하게 쓰일 수 있을 것”이라고 강조했다.

요트, 보트 등의 레저선박의 경우 그래핀을 이용해 더 견고하고 튼튼하게 만들 수 있다는 것이다. 또 구명조끼의 경우 해난 사고 시 저체온증으로 구조 직전에 사망하는 경우가 많은데 그래핀을 응용한 발열 조끼를 개발, 착용한다면 인명 손실을 막을 수 있다는 것이다.

해양드론용 전지의 경우 리튬 배터리에 가벼운 그래핀을 첨가하는 방법으로 전지를 개량한다면 배터리 수명을 늘릴 수 있다는 것.

김 대표는 “물은 밀어내고 기름 성분은 흡착하는 그래핀 특성을 이용해 그래핀 스펀지를 개발한다면 태안 기름 유출사고와 같은 유류사고 등에 방재효과가 뛰어날 것”이라고 강조한다.

 

저체온증 방지 구명조끼 연구

▲ 그래핀을 조끼에 적용한 사례. 가운데 사진은 열화상 카메라로 촬영한 것.

무엇보다 양식장에서의 그래핀 응용은 수산 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 일정 수온을 항시 유지해야 하는 양식장에 얇고 열전도율이 높은 그래핀을 장치할 경우 고가의 히트펌프를 대체할 수 있으며, 부담스러운 전기요금도 획기적으로 절약할 수 있다는 것이 김 대표의 이론이다.

김 대표는 “참트론은 신기술과 응용기술의 개발을 위해 꾸준히 노력할 것이며, 이를 통해 해양수산계, 나아가 인류가 상상하지 못했던 변화된 미래를 경험하게 할 것”이라고 밝혔다.

또 그는 “꿈의 신소재 그래핀을 조금 일찍 해양수산 분야에 활용할 생각을 했으면 해양수산도, 그래핀 기술도 발전이 빨랐을 것“이라며 “지금부터라도 해양수산 발전에 그래핀을 접목해 남들이 가지 않는 길을 개척해보겠다”고 포부를 밝혔다.

㈜참트론 임직원들은 그래핀의 해양수산에의 접목과 더불어 2022년 주식시장 상장, 2030년 매출 1조 기업으로 성장을 목표로 매진하고 있다.


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