[미래 신소재] 꿈의 소재 ‘그래핀’ 제조업 혁신 ‘3D프린터’ 어디까지 왔나
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[미래 신소재] 꿈의 소재 ‘그래핀’ 제조업 혁신 ‘3D프린터’ 어디까지 왔나
  • 박효길 기자
  • 승인 2021.06.25 09:00
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그래핀, 강도·열전도율·전자이동 등 현존 물질 중 가장 뛰어난 소재
3D프린터, 금형 없이 기존 제조업서 불가능했던 다품종 소량생산 가능
세계 최초로 대면적 그래핀 합성기술을 개발한 홍병희 CTO(서울대 화학부 교수 및 융기원 그래핀연구센터장)가 이끄는 벤처기업인 그래핀스퀘어가 지난해 8월 LG전자와 대면적그래핀 합성 및 응용기술 공동개발에 대한 업무협약을 체결했다. 사진=그래핀스퀘어 제공
세계 최초로 대면적 그래핀 합성기술을 개발한 홍병희 CTO(서울대 화학부 교수 및 융기원 그래핀연구센터장)가 이끄는 벤처기업인 그래핀스퀘어가 지난해 7월 LG전자와 대면적그래핀 합성 및 응용기술 공동개발에 대한 업무협약을 체결했다. 사진=그래핀스퀘어 제공

[매일일보 박효길 기자] 꿈의 소재 ‘그래핀’과 제조산업의 패러다임을 바꿀 것으로 기대되는 ‘3D프린터’가 최근 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 시대를 맞아 기술 발전으로 더 큰 기대감을 나타내고 있다.

◇팔방미인 ‘그래핀’, 웨어러블 시장서 기대감 업

그래핀은 탄소 원자로 만들어진 2차원 물질로 벌집 모양의 구조를 가지고 있으며, 단층의 그래핀은 매우 얇으며 반금속성 물질의 성질을 띄고 있다. 흑연이 탄소들이 육각모양의 벌집구조를 이루는 2차원 구조의 판들이 층층이 쌓인 3차원 결합구조의 형태로 이뤄졌으며, 이 한 층의 2차원 탄소결합 판을 떼어낸 것이 그래핀이다.

그래핀은 투명하며 빛의 2.3%만을 흡수해도 상온에서 은보다 열전도성이 높으며, 전자가 마치 질량이 없는 것처럼 움직여 기존 반도체보다 전기의 흐름이 빨라질 수 있어 실리콘 기판을 대체할 수 있는 차세대 재료로 각광받고 있다.

그래핀은 강도, 열전도율, 전자이동도 등 여러 가지 특징이 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재로 디스플레이, 이차전지, 태양전지, 자동차 및 조명 등 다양한 분야에 응용돼 관련 산업의 성장을 견인할 전략적 핵심소재로 인정받고 있다.

단결정 구리(Cu) 포일 위 2차원 h-BN 성장 메커니즘. 사진=과학기술정보통신부 제공
단결정 구리(Cu) 포일 위 2차원 h-BN 성장 메커니즘. 사진=과학기술정보통신부 제공

그래핀의 대표적 수요산업인 디스플레이, 반도체, 이차전지, 자동차 등의 전방산업이 세계 수준이므로, 사업 성공시 커다란 경제 산업적 파급효과와 고용창출이 예상된다. 특히 그래핀 기반 웨어러블 디바이스는 최근 많은 관심을 끄는 분야 중의 하나로 여겨지고 있다.

최근 상용화에 대한 기대가 나오고 있다. 홍병희 서울대 화학부 교수 및 융기원 그래핀연구센터장이 2012년 창업한 그래핀 소재 및 장비 전문 기업인 그래핀스퀘어는 최근 LG전자와 공동으로 상용화 제품 개발을 추진하고 있다.

김완수 한국산업기술대 교수는 보고서에서 “최근 코로나19의 전세계적인 대유행에 따라 이에 대응하기 위한 웨어러블 디바이스의 기술 및 제품 개발이 활발히 진행되고 있으며, 향후에 이러한 노력들이 가볍고 얇고 유연한 그래핀의 장점과 결합돼 그래핀 기반의 웨어러블 디바이스로 발전될 경우 더욱 좋은 시너지 효과를 낼 수 있을 것으로 전망되고 있어 시사하는 바가 크다”고 밝혔다.

◇코로나19 시대 재주목 받는 ‘3D프린터’

미국 3D 프린터 얼티메이커 2 플러스 커넥트 에어매니저 번들 제품 이미지. 사진=얼티메이커 홈페이지
미국 3D 프린터 얼티메이커 2 플러스 커넥트 에어매니저 번들 제품 이미지. 사진=얼티메이커 홈페이지

3D 프린팅이란 3차원 그래픽 설계데이터를 기반으로 폴리머, 금속, 종이 등의 특정 물질을 적층방식으로 쌓아올려 3차원의 입체물을 형상화하는 기술을 말한다. 적층제조라고도 불리며, 입체물을 기계 가공 등을 통해 자르거나 깎는 절삭가공 제조방식과 반대되는 개념이다.

3D 프린팅은 제품 생산을 위해 별도의 금형이 요구되지 않으며, 설계 도면대로 제품을 생산할 수 있어 기존 제조 산업에서는 불가능했던 다품종 소량생산이 가능하다.

3D 프린팅 장비 및 소재의 가격 문제, 3D 프린팅 속도, 제한된 크기, 활용 범위 한계 등의 단점으로 기대보다 3D 프린팅 산업 성장이 부진하다. 사물인터넷(IoT), 빅데이터, 인공지능(AI) 등을 통한 제조업의 디지털화, 스마트 팩토리 확산 등을 통해 소비자 맞춤형 다품종 소량생산에 대한 아이디어를 신속히 구현할 수 있는 3D 프린팅이 부각되고 있다.

3D 프린터 보급은 가속화고 있으며, 3D 프린터 가격도 대당 평균가격이 2015년 6297달러에서 2018년 2615달러로 낮아지고 있으며, 3D 프린팅 원천기술 특허가 만료되면서 시장 확대가 기대된다.

중소벤처기업부에 따르면 2017년 세계 3D프린팅 시장은 77억8400만달러 규모에서 내년 263억2900만달러로 성장할 전망이다. 미국이 3D프린팅 시장의 38.0%로 가장 큰 시장을 차지하고 있으며, 일본, 독일, 중국이 전체시장의 65.8%를 점유하고 있다.

이지현 KOTRA 미국 실리콘밸리무역관은 보고서에서 “최근 코로나19의 대유행으로 인한 제조 및 운송 중단으로 물류 문제가 발생하고 공급망이 제한돼 필수 상품의 품귀 현상이 벌어지면서, 빠르고 효과적으로 양산이 가능한 3D 프린터가 다시 한번 주목을 받게 됐다”며 “변화하는 소비자 트렌드를 신속하고 정확하게 파악하고 그에 부합하는 제품과 마케팅 전략을 수립해 3D 프린팅 기술을 사용한 제품을 갖고 미국 시장에 진출하는 기회를 모색해 볼 수도 있다”고 조언했다.

담당업무 : 게임, IT 전반
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