그래핀 산업화의 현황

정부가 ‘꿈의 나노소재’로 불리는 그래핀의 핵심기술 개

발과 상용화를 통해 2025년까지 관련 산업에서 매출 19

조원, 약 5만 명의 고용창출을 달성하겠다는 목표를 내놨

다. (연합뉴스 2015년 4월 6일 보도 인용)

위 신문기사에서 알 수 있듯이, 그래핀 연구는 이제 기

초연구 단계를 넘어 산업화를 향해서 달려가는 단계에

들어섰다. 오랫동안 이론 연구의 대상이었던 그래핀은

2004년 영국 맨체스터 대학의 Geim과 Novoselov가 실

험실에서 스카치테이프를 이용하여 흑연으로부터 그래핀

을 박리하는데 성공한 후, ‘꿈의 소재’에서 ‘실현 가능한

21세기 산업의 핵심 기반소재’로 주목받게 됐다. 현재 많

은 연구자들이 그래핀 응용 연구와 산업화를 위한 기반기

술 개발을 진행하고 있으며, 세계 각국의 지적재산권 획

득경쟁이 치열한 상태이다.

산업화를 실현하기 위해서는 우수한 물성을 구현한 그

래핀 양산화기술 개발이 필수다.　그래핀은 탄소원자들

이 sp2 화학결합을 한 벌집 모양으로 배열된 2차원 결

정이다. 실제 응용에서는 단층 그래핀 박막(monolayer

graphene film), 박층 그래핀 박막(few layer graphene

film) 또는 그래핀 플레이크(graphene flake)의 형태로

사용된다. 현재 그래핀 생성기술로는 그래핀 박막의 화

학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD), 단

층·단결정 그래핀 박막의 에피택셜 성장법(Epitaxial

growth), 그래핀 플레이크의 산화그래핀 환원법 등이 있

는데, 고품질화·양산화 기술 개발이 필요하다. 2009

년 국내 연구진에 의해 발표된 대면적 열CVD 법은 그

래핀 박막의 대량생산에 새로운 가능성을 열었다(K.S.

Kim et al. Nature 457, 706-710, 2009). 그래핀 생

산기술 분야에서 우위에 서게 된 한국으로서는 부품소재

분야의 수입국에서 수출국으로 갈 수 있는 절호의 기회

를 잡았다고 할 수 있다. 2013년에는 Sony社 연구그룹에

의해 열 CVD를 이용한 Roll-to-Roll 생성이 실증됐다

(T. Kobayashi et al., Appl. Phys. Lett. 102, 023112,

2013).

또한, 그래핀 응용분야를 개척하기 위해서는 표면처리,

에칭, 패터닝, 도핑, 개면 및 에지의 화학적 개질 등 프로

세스 기술도 필요하다. 그외 전극과 접촉저항을 낮추는

기술, 각종 기반재료와 접착성을 향상시키는 기술, 그래

핀 보호막 개발 등 과제들이 남아 있다. 현재 다양한 응용

분야에서 프로세스기술 개발이 진행 중이다.

그러나, 지금까지 개발된 그래핀 합성 및 프로세스

기술은 주로 고열을 이용하는 열 프로세스(thermal

process)와 화학약품을 이용하는 습식 프로세스(wet

process)에 기반을 두고 있기 때문에 여러 한계점(고온

반응로 필요, 긴 프로세스 시간, 복잡한 공정, 불순물, 환

경문제 등)을 내포하고 있다. 가령 2009년에 발표된 대면

그래핀 산업화의 돌파구-플라즈마김재호

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<저자 약력>

김재호 박사는 2004년 동경대(University of Tokyo)에서 박사학위를 받고 Research Associate로 재직하였다. 2006년 산업

기술종합연구소 (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST)으로 옮겨 현재 Senior Research

Scientist로 재직 중이다. 그래핀 양산화를 위한 플라즈마기술 개발연구을　진행하고　있다．IEEE Nuclear and Plasma

Science Society Japan Chapter의 Chair를 역임했고, IEEE, IEEJ, JSAP, MRS-J 학회 회원으로 활동하고 있다. (jaeho.kim@

aist.go.jp)

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진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 06 June40

적 열 CVD법은 1,000℃ 이상의 고온 반응로를 이용하여

반응가스를 분해해 금속 촉매 기판 위에 그래핀을 생성시

키는 방법으로 양산화 생산장비 개발과 응용분야 개척에

불리하다. 이미 많은 논문에서 발표된 것 같이 재현성이

뛰어난 고품질 생성기술이 실현되고 다양한 응용연구에

서 차세대 소재로서 그 가능성을 인정받고 있지만, 그래

핀의 상용화가 늦어지고 있는 이유는 이러한 한계점들 때

문이다. 서두에 인용한 신문 기사는 이러한 배경 하에 발

표된 정부 정책이다. 관련 자료가 온라인 상에도 공개되

어 있다 (‘미래소재산업 선도국 실현을 위한 그래핀 사업

화 촉진 기술 로드맵’, 미래창조과학부·산업통상자원부,

2015).

그래핀 프로세스용 플라즈마 기술의 현황

최근 그래핀 연구 돌파구(Game-Chang ing

Breakthrough)로써 플라즈마를 이용한 저온 건식프로

세스(dry process) 기술에 대한 관심과 기대가 커지고

있다 (K. S. Novoselov et al. Nature 490, 192-200,

2013; I. Levchenko et al. Nanoscale 8, 10511-10527,

2016). 즉, 기판을 가열할 필요없이 플라즈마 소스에 전

원만 넣으면 바로 고품질 그래핀이 생성되는 저온 플라즈

마 CVD 기술을 개발하기 위해 많은 연구자들이 도전하고

있다.

저온 플라즈마 내부는 아주 높은 온도(수eV ≈ 수만K)

상태의 전자들과 낮은 온도(실온~500°C이하) 상태의 이

온들, 그리고 라디칼 화학종과 중성 가스 입자들로 이루

어져 있다. 플라즈마 CVD로 그래핀을 합성할 때는, 고온

(높은 운동에너지 상태) 전자들에 의해 가스가 분해돼 라

디칼 화학종이 생성되고 기판표면에서 화학반응이 지속

적으로 일어나기 때문에 가스온도와 기판온도가 낮아도

그래핀이 생성된다.

그래핀 합성의 돌파구로 요구되고 있는 저온은 몇 도일

까? 엄밀하게 정해진 온도는 없지만 양산화 기술개발 측

면에서는 500°C 이하(가령 실리콘을 기반으로 하는 기존

반도체 생산설비에 적용 가능한 온도)가 필요하다. 반도체

재료로 많이 사용되고 있는 폴리이미드 (Polyimide) 등에

적용 가능한 저온이면 응용기술 개발에 더욱 유리하다.

플라즈마는 1980년대 다이아몬드 박막 합성용 플라

즈마 CVD기술이 개발된 이후, 나노결정다이아몬드

(nanocrystalline diamond), 탄소나노튜브(carbon

nanotube), 탄소나노월(carbon nanowall) 등의 탄소

나노재료 합성에 많이 사용되고 있다. 플라즈마를 이용

한 그래핀 합성은 2008년 이후 여러 그룹에 의해 발표되

기 시작했다. 2011년에는 마이크로 웨이브 전원을 이용한

표면파 플라즈마(Surface wave plasma)에 의해 대면적

저온(400°C 이하) 그래핀 합성기술이 발표됐다(J. Kim

et al., Appl. Phys. Lett. 98, 091502, 2011). 그 기술

을 이용한 Roll-to-Roll 생성 실험 결과도 발표됐다(T.

Yamada et al., Carbon 50, 2615-2519, 2012).

그러나, 플라즈마를 이용한 그래핀 양산화 분야에도 큰

장벽이 남아 있다. 플라즈마 CVD를 이용해 저온에서 합

성한 그래핀은 열CVD에서 생성된 것보다 물성이 현저

히 떨어진다. 합성 된 그래핀 박막이 우수한 물성을 가지

기 위해서는 박막을 구성하는 결정들의 사이즈가 켜고 결

합이 적어야한다. 하지만 플라즈마를 이용해 저온에서 합

성한 그래핀 박막은 결정들 크기가 나노미터 단위로 카본

나노시트(carbon nanosheet)로 구성되고 결정들에 결함

이 많아 그래핀의 우수한 물성이 구현되지 못하고 있다.

예를 들어, 전기적 특성을 나타내는 면저항이 수천~수백

Ω/□ 수준으로 투명전극의 신소재로서도 우수성을 아직

갖추지 못하고 있다(참고적으로 디스플레이용 ITO박막의

면저항은 30 Ω/□정도).

플라즈마는 라디칼 화학종을 생성하기 위한 수단으로

사용하고, 히터를 기판스테지에 설치해서 금속 기판을 가

열하여 고품질 그래핀을 생성하는 방법에도 사용한다. 이

경우에도 기판온도를 700°C 이상으로 가열 할 필요가 있

기 때문에, 그래핀 양산화 기술로서의 궁극적인 해결책은

못 된다.

그 동안 플라즈마 CVD에서 그래핀 생성 메커니즘

에 대한 연구가 많이 이루어졌다. 플라즈마에서 고품

질 그래핀 형성이 어려운 이유는 크게 두 가지 원인이

다. 하나는 성장 중인 그래핀에 가해지는 이온충격(ion

bombardment) 때문이다. 플라즈마 내에 발생한 이온

은 플라즈마와 기판 표면 사이에 형성되는 플라즈마 시

스 전위(plasma sheath potential)에 의해 기판을 향

해 가속이 된다. 이온충격은 그래핀 성장을 방해하고 생

성된 그래핀 결정에 결함을 발생시킨다. 다른 하나는 기

판 계면에서 라디칼 화학반응이 활발하여 초기 핵 생성

밀도가 높기 때문이다. 예를 들어, 메탄(CH4) 가스를 사

용하는 구리(Cu) 기판에 그래핀을 생성하는 CVD에서는

CH라디칼과 C2라디칼이 주요 카본 라디칼이다. 열CVD

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경우에는 주로 CH라디칼이 생성되어 금속기판과 반응

하면서 그래핀 성장을 주도한다. 한편 플라즈마 CVD경

우에는 CH뿐만 아니라 C2 라디칼도 고밀도로 발생한다.

따라서 기판표면에서의 초기 핵생성 밀도가 높아진다.

그 결과 그래핀 핵이 기판 계면을 따라 성장할 수 있는

공간이 적어져서 나노 사이즈의 결정으로 성장하는 게

멈추게 된다.

이를 극복하기 위해 리모트 플라즈마(remote plasma)

를 이용하고, CVD혼합가스의 수소 농도를 올리고 메탄

농도를 아주 낮추어 그래핀을 합성하는 연구들이 발표되

고 있다. 근래, 캘리포니아 공과대학 연구진이 플라즈마

CVD 실험에서 가열하지 않은 저온(420°C 이하) 구리 기

판에 고품질 그래핀이 생성되는 현상을 발견했다(D. A.

Boyd et al., Nat. Comms. 6, 6620, 2015). 생성된 그

래핀의 전기전도 특성이 열CVD에 의해 생성된 단층 그래

핀보다 우수하다는 것도 확인했다. 저온 플라즈마를 이용

해서 고품질 그래핀을 합성할 수 있다는 것을 실증한 큰

성과로 평가된다.

플라즈마를 이용한 그래핀 양산화에서의 또 하나의 장

벽은 대면적화이다. 그래핀을 투명전극 등의 소재로 응

용하기 위해서 그래핀 박막을 미터급 사이즈로 연속 생

산 가능한 양산화 기술(Roll-to-Roll 생산 시스템)이 요

구된다. 기존 플라즈마 생성기술로도 어느 정도 대면적

화가 가능해 졌으나, 고진공 상태를 이용하는 저압플라

즈마 기술이기 때문에 양산화에 한계가 있다. 고가의 진

공 장비가 필요하며, 연속 공정 기술 개발이 어렵다. 또

한 저압 플라즈마는 방전 특성상 기판 표면에 이온충격

이 커서 고품질 그래핀 생성에 불리하다. 그래핀 양산화

를 위한 새로운 플라즈마 생성 기술개발이 요구되고 있

는 상황이다.

플라즈마 CVD 이외에도 저온 플라즈마를 이용한 그래

핀 프로세스 기술에 대한 연구개발도 활발히 이루어지고

있다. 수소 플라즈마를 이용한 산화 그래핀의 저온 환원,

암모니아 플라즈마를 이용한 산화 그래핀의 환원 및 질소

원자（Ｎ）도핑, 질소 플라즈마를 이용한 질소원자（Ｎ）도핑,

산소 또는 아르곤 플라즈마를 이용한 그래핀 개질, 수소

또는 산소 플라즈마를 이용한 그래핀 에칭 및 패터닝 등

의 기술들이 발표 되었다.

전망

그 동안 많은 기초연구와 실증연구를 통해서 그래핀은

더 이상 ‘꿈의 소재’가 아닌 ‘상용화를 눈 앞에 둔 차세대

소재’로 주목받고 있다. 그래핀 산업은 고부가가치 산업

으로 우리나라를 비롯해 산업 선진국에서 정부, 학계, 산

업계에서 상용화 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 하지

만 지금까지 개발된 기술의 한계점을 극복하는 신기술 개

발이 늦어지면서 그래핀 양산화와 상용화에 부정적인 의

견도 나온다.

현재, 그래핀은 기초연구에서 산업화로 가는 길목에 있

는 일명 ‘죽음의 계곡(Valley of Death)’에 빠져있는 상황

이다. 비록 여러 어려움이 있더라도 부가가치가 매우 크

므로 당분간 그래핀 양산화와 응용 프로세스 기술개발 경

쟁시대가 계속 될 것으로 전망된다.

양산화를 위해서는 우수한 물성을 구현하는 그래핀을

저온에서 대면적으로 연속 생산할 수 있는 기술이 필요하

다. 그 돌파구로써 저온 플라즈마 프로세스 기술이 주목

받고 있다. 플라즈마 프로세스 기술은 이미 반도체 공정

에서 널리 사용 중이다. 따라서 플라즈마를 기반으로 하

는 양산 및 프로세스 기술은 산업화 단계에서 기존 생산

설비를 활용할 수 있다는 장점이 있다. 플라즈마는 1980

년대 반도체 공정 기술에 큰 변화를 이룬 경험이 있다. 당

시 열 프로세스와 습식 프로세스를 기반으로 하던 반도체

공정 기술은 저온 플라즈마를 이용한 건식 프로세스로 바

뀌면서 획기적인 발전을 할 수 있었다. 이런 경험을 고려

하면, 플라즈마를 기반으로 하는 그래핀 양산화 및 프로

세스 기술 확보 여부가 그래핀 산업화 경쟁에서 우위 자

리를 결정할 것으로 전망된다.

우리나라는 다행히 반도체 산업의 발전과 더불어 플라

즈마 관련 기술과 프로세스 설비들을 많이 갖추고 있다.

그러나, 플라즈마를 이해하여 최적인 프로세스 기술을 개

발하고 운영할 인재가 절대적으로 부족한 상태다. 플라즈

마 프로세스를 이해하기 위해서는 여러 학문 분야의 지식

을 두루 갖추어야 한다. 예를 들어, 마이크로웨이브 플라

즈마 CVD를 이해하기 위해서는 마크로로웨이브공학, 전

자기공학, 기체방전학, 유체역학, 화학, 물리학, 재료공

학 등에 해박해야 한다. 각 학문 분야의 유기적인 공동연

구와 더불어 체계적인 인재 양성이 중요하다.

플라즈마는 여러 현상이 유기적으로 일어나는 상태이

기 때문에 단순히 프로세스용 도구로 여겨서는 획기적

인 신기술을 개발하는데 한계가 있다. 플라즈마는 발생

시키는 장비나 조건에 따라 그 성질이 다르다. 또한 플라

즈마는 프로세스 중에 내부조건에 따라서 스스로 성질이

바뀌기도 한다. 훌륭한 조련사가 목적에 맞는 말을 골라

서, 보살피고 칭찬하며 길들여 적토마와 같은 명마를 키

워내듯이, 다양한 플라즈마 중에서 응용에 필요한 플라

즈마를 선택해 모니터하고 반응을 촉진시키거나 제어해

서 최적의 프로세스 기술을 개발할 수 있는 인재(plasma

trainer)가 필요하다.

그래핀 산업화 현황과 플라즈마 프로세스에 대한 필자

의 전망을 일러스트 (그림 1)로 표현해 보았는데, 이해에

도움이 되기 바라며 글을 마친다.

[Fig. 1] 그래핀 산업화 현황과 플라즈마 프로세스에 대한 전망

진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 06 June42

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