‘탄소의 세계 in 한반도’

북한의 자원하면 제일 먼저 떠오르는 건?! 많은 분들이 풍부하게 매장된 북한의 지하자원을 생각하시겠죠? 웹진 <이음> 8월호는 그 중에서도 가장 많은 매장량과 고품질을 자랑하는 북한의 탄소(Graphite) 자원에 대해 특집코너를 마련하여 집중 탐구해 보려고 합니다.

먼저 북한이 최근 강조하고 있는 석탄 활용 기술인 ‘탄소하나화학공업’에 대해 알아볼텐데요. 북한은 풍부하게 매장된 석탄을 활용한 ‘석탄화학’을 중심으로 공업을 발전시켜왔습니다. 더욱이 국제사회의 제재가 강화되며 원유 수급이 어려워진 이후 더욱 석유를 대체하기 위한 석탄 활용에 힘을 써왔는데요, 이러한 북한의 노력은 ‘탄소하나화학공업’으로 최근 급부상 중입니다. 오랜시간 북한의 과학기술 분야에 천착해 온 북한과학기술 분야 전문가 최현규 통일과학기술협의회 회장님께서 북한의 탄소하나화학에 대해 소개해주신다고 합니다.

다음은 탄소자원을 활용한 소재 중 최근 가장 핫(!)하다는 신소재, 그래핀(Graphene)에 대해 먼저 알아볼텐데요. 그래핀은 육안으로 볼 수 없을 만큼 엄청 얇고 투명한데도 강도와 탄성, 전도율(傳導率)이 뛰어난 특징을 지녀 이를 최초 발견한 영국의 연구팀이 2010년 노벨 물리학상을 수상하기도 했습니다. 초고속반도체, 롤러블(rollable) 디스플레이, 고효율 태양전지 등 그래핀은 특히 미래 첨단산업 분야에 그 활용도가 높아 지속적으로 상용화를 위한 연구가 진행되고 있는 ‘꿈의 소재’라고 해도 과언이 아닐 정도입니다! 그래핀 연구에서 국내외 권위자로 인정받고 있는 한국지질자원연구원의 장희동 박사님이 그래핀의 연구 현황 및 전망에 대해 알려주신다고 합니다. 이번 특집을 통해 탄소의 세계에 빠져들 준비 되셨나요?

탄소의 시대 
남북이 하나 됨을 위해 


최현규 통일과학기술연구협의회 회장

'탄소의 시대'

21세기를 '탄소의 시대'라 일컫기도 한다. 탄소 소재를 적용하는 분야가 광범위하고 탄소를 활용했을 때 뛰어난 성능을 발휘하는 등 그 영향력이 크다는 것이다. 탄소의 물성(物性), 즉 기계적, 전기적, 화학적 특성으로 인해 탄소 자체로나 다른 소재와 복합하여 유용하게 이용된다.

하지만 탄소엔 부정적인 이미지가 있다. 탄소저감, 저탄소, 탄소제로(zero-carbon) 등과 같은 어휘로 표현되는 것처럼 없애야 할 것으로 인식되고 있다. 지구 온난화에 큰 영향을 미치는 것은 온실가스다. 탄소 성분의 화석연료인 석유와 석탄을 사용(주로 연소)하면서 생기는 이산화탄소 등이 주원인인데, 이산화탄소를 줄여서 탄소란 말로 대신한 탓에 잘못 인식되고 있는 것이다. 최고의 보석인 다이아몬드가 물성을 달리하는 탄소 동소체이다. 탄소배출권이란 말도 영어로는 CER(Certified Emission Reduction)로, 정확히는 온실가스 방출량에 대한 인증감축량인데 달리 전달되는 것이다.

석탄을 환경 오염물질로 여기는 것은 탄소 소재가 든 광물을 산화시키면서 발생하는 오염물질 때문이다. 하지만 탄소 소재는 오히려 이산화탄소를 감축시키는 데 기여할 수 있다. 예를 들어 경량화 소재로 탄소가 이용되어 자동차와 항공기, 선박 등 수송 수단을 경량화해 에너지 소비를 줄이거나, IT 제품에서 절전 효과를 거두는 등 에너지 효율을 높임으로써 그린 카본(Green carbon)이 된다.

북한의 탄소하나화학

탄소의 시대라고 할 만큼 탄소 소재가 각광받는 글로벌 기술 흐름 속에 북한은 탄소하나화학(C1화학)을 강조하고 있다. 석유 자원의 유입 자체가 어려워진 조건에서 석탄을 자력갱생의 발판으로 삼고자 하는 것이다. C1화학은 탄소 수가 1개인 화합물을 출발원료로 하여 여러 가지 유기화합물들을 합성하는 화학이다. 전력 사용량을 줄일 수 있고 이산화탄소 배출이 없다는 특징은 지구온난화 문제를 해결하는 데 있어 C1화학의 장점이라 할 수 있다.

북한은 2016년 5월 제7차 당 대회에서 탄소하나화학공업의 육성을 구상했다. 탄소하나화학공업을 국가경제발전 5개년 전략 수행의 일환으로 삼고 ‘화학공업 주체화 실현의 중심고리’라고 언급할 정도로 집중 육성하고자 했는데, 이는 전량 해외 수입하는 원유의 의존성을 없애 연료의 국산화를 꾀할 수 있기 때문이다. 더욱이 이에 성공한다면 북한이 국제제재 국면에서 사활적 문제로 인식하는 인민경제의 자립성과 주체성을 달성할 수 있게 된다. 그래서 2017년에 옛 순천비날론공장 자리로 추정되는 장소에 관련 시설 건설 공사가 시작됐고 흥남, 안주 등에서도 공사가 병행된 것으로 보인다. 다만 2019년부터는 별다른 공사 진전이 없는데, 이는 순천인비료공장 건설에 역량을 집중하는 등 이유도 작용했을 것으로 분석된다.

북한 탄소하나화학공업 관련 건설 공사현장

탄소하나화학을 설명하는 北 조선중앙통신의 영상

북한의 탄소하나화학공업 창설이 본격화 되며 남흥화학설계연구소가 메탄올생산 공정 설계, 김일성종합대학과 함흥화학공업종합대학, 리과대학, 국가과학원 함흥분원 등이 메탄올 생산 공정 기술 검토를 맡았다고 한다. 또한 남흥청년화학연합기업소가 촉매 생산기지와 탄산소다 생산 공정을 개건하는 등 여러 기업체가 분담하는 구조로 공사 및 생산 설계가 진행된 듯하다. 하지만 북한의 탄소하나화학공업 창설을 위해선 대규모 투자가 필요하며, 촉매기술 확보 등 기술적 문제와 같은 애로사항이 존재한다. 석탄의 사용, 공정간 흐름과 각종 시약 보장 등 실제 생산가동을 대비한 기초적 준비가 부족한 상태에서 탄소하나화학공업 창설을 시작한 것도 최근 부진의 한 사유로 보인다.

북한의 미래 먹거리 흑연(graphite)

석탄 매장량이 많은 북한이 탄소하나화학공업을 강조함과 동시에 탄소 시대의 총아로 부르는 것이 있다. 매장량 면에서 북한이 세계 4위로 알려진, 100% 탄소 결정체인 흑연(graphite)이다. 남한 내 매장량이 거의 없는 흑연은 주로 연필심의 원료로 생각하기 쉬운데, 이때는 보통 저품질의 흑연이 사용된다. 사실 흑연은 매우 다양한 용도를 가지고 있다. 북한은 모터용 부품인 흑연 브러시(솔)를 개발하여 국제규격을 획득한 바 있는데, 이 브러시는 천연 흑연을 사용한 것으로 그 성능이 다른 금속이나 수지 등과 합성한 것 또는 인조흑연으로 만든 것에 비해 뛰어난 물성을 가졌다고 하며 흑연공업의 주체화라고 주장되기도 했다. 또한 제철공장의 전기로(爐)에 쓰이는 전극봉도 주성분이 흑연인 전극으로, 이는 주체철 공정의 일환으로 활용되었을 것이다. 이외에도 북한은 납축전지용 나노흑연 분산액을 개발한 내역을 발표하기도 했다.

흑연은 첨단 소재로서 그 활용도가 높아지고 있다. 대표적으로 그래핀, 탄소나노튜브 등이 있다. 그래핀은 탄소 원자로 된 박막(薄膜)이다. 그래핀의 구조가 다양해지면서 활용도도 많아지고 있는데, 반도체나 전도성 초경량재, 태양전지 등 매우 다양하다. 미래에는 초고온, 초경량, 초고탄성 등 극한재료로서 경쟁력을 충분히 가지고 있다.

북한은 “우리나라에 풍부한 자원과 우리의 기술로 세계적인 패권을 쥘 수 있는 경제 분야를 개척하고 발전시키는 것이 매우 중요한 문제”라고 주장한다. 이를 보면 북한이 추구하고자 하는 기술 개발의 원칙과 방향을 알 수 있다. 탄소 시대에 북한이 가진 관련 자원은 석탄과 흑연이다. 석탄을 이용하는 탄소하나화학은 석탄을 채굴하지 않고 지하에서 바로 가스를 발생시키는 석탄가스화공법을 이용한다. 남한에서도 한국화학연구원 등에서 가스화와 함께 가스를 석유로 전환하는 기술인 GTL(Gas-To-Liquids) 공정의 시범 설비를 갖추는 등 기술력을 갖고 있다. 따라서 C1화학은 남북 간 기술협력을 통해 에너지 자원의 발굴이라는 측면에서 발전할 가능성이 있다. 북한은 그 가능성을 당 기관 월간지인「근로자」2017년 7월호에 이미 대해 언급한 바 있다.

조선천연흑연개발교류사 구성원들

또한 북한은 첨단소재로서 흑연의 국제적 기술교류를 염두하고 광산과는 별도로 전문 조직인 조선천연흑연개발교류사를 두고 있다. 흑연 관련 자체 기술 개발과 함께 각 국과 교류하고자 하는 목적의 조직인 셈이다. 과거 한국광물자원공사가 북한 정촌 흑연광산에서 했던 형식의 광물 자원 협력을 재개하기 위해 준비하는 것뿐만 아니라, 자원 개발 이상의 소재 공동 연구개발까지 목표로 하는 것이 필요하다.

북한에는 자원이 상당히 많다. 물적 자원뿐만 아니라 인적 자원도 보유하고 있다. 탄소를 매개로 하는 남북협력은 북한의 이러한 자원을 공동으로 활용하는 것이며 퍼주기가 아닌 공생의 퍼오기 구조로 이뤄지는 협력이 될 것이다. 이를 위해 얼마만큼 준비되었느냐가 남북 협력의 재개와 남북이 진정으로 하나되는 것의 관건이 될 뿐만 아니라, 자원을 활용해 4차산업혁명에까지 대비하는 길이 될 것이다.

꿈의 소재, 
그래핀의 연구 현황 및 전망


장희동 박사 
한국지질자원연구원 자원활용연구센터

단일 층의 탄소원자로 이루어진 2차원 구조 나노소재인 그래핀은 강도, 열전도율, 전기전도도 등 여러 가지 특징이 현존하는 물질 중 가장 뛰어난 소재로 디스플레이, 이차전지, 자동차, 조명 등 다양한 산업분야에 응용되어 관련 산업의 성장을 견인할 전략적 핵심소재로 각광받고 있다. 특히 천연흑연으로부터 고순도 정제, 그래핀 및 그래핀 복합체 제조, 에너지저장 소재 응용에 걸친 전주기 기술 개발은 흑연기반 첨단소재용 원료자원의 경제적, 안정적 확보뿐만 아니라 흑연의 고부가가치화 실현에 의한 새로운 수요 창출과 신성장 동력 개발을 실현할 수 있다. 이에 본 칼럼에서는 그래핀 제조 기술, 연구개발 현황 및 향 후 전망에 대해 간략히 소개하고자 한다. 

그래핀이란? 

그래핀이라는 용어는 1986년 흑연층간화합물에서 생성되는 탄소 원자의 단일층 2차원 시트로 처음 제안되었다. 그래핀(Graphene)은 흑연의 영문인 Graphite으로부터 접두사 graph-, 방향족 탄화수소를 일컫는 말로부터 접미사 -ene가 결합된 단어이다. 최근 탄소 물질 분야의 진전을 살펴보면 다이아몬드, 흑연, 플러런, 그리고 나노튜브의 다양한 동소체의 존재를 확인할 수 있다. 이러한 물질들은 탄소의 결합 특성과 물질의 차원에 따라 분류 될 수 있다. (0차원: 플러런, 1차원: 탄소나노튜브, 2차원: 그래핀, 3차원: 흑연)

흑연(Graphite)과 그래핀의 탄소원자 배열의 차이(출처: Techinstro, 2018. 5. 29., 편집주)

1) 그래핀은 두께가 매우 얇아, 머리카락 굵기가 되려면 그래핀 몇 억 개를 묶어야 한다. 이와 동시에 탄성과 강도가 높아 고무처럼 구부러지기도 하고, 말아도 깨지지 않는다. 구리보다 전기전도율이 100배 이상 좋은 특징이 있어 기존 물질에 결합하면 강도를 더하고 전기가 통하지 않는 물질을 도체(導體)로 바꿀수 있다. (편집주)

탄소 동소체의 구조 : a) 다이아몬드 b) 흑연, c) 풀러렌, d) 그래핀, e) 비결정성 탄소, f) 탄소나노튜브 (출처: 네이버지식백과, 편집주)

2차원 탄소 물질인 그래핀은 탄소간 결합이 π 전자구름 sp2 결합을 바탕으로 육각형 배열을 이루고 있는 원자 두께의 시트로써 다양한 분야로부터 집중적인 관심을 받고 있다. 이러한 그래핀은 전기적, 열적 및 기계적 특성이 놀라운 특성을 지녀1) 물리학, 화학, 공학, 그리고 여러 응용기술 분야에서 그래핀에 관한 연구 개발이 진행되고 있다.

「Research In China」의 세계 그래핀 시장 분석 보고서에 의하면, 세계 그래핀 시장은 39.1%의 연평균 성장률로 성장하여 2020년 1억 2천 6백만 불 규모로 성장할 것으로 예측하고 있으며, 그 중 에너지 저장 시장 분야에서는 3천만 불 규모에 이를 것으로 예측하고 있다.

그래핀 제조 기술

그래핀의 제조방법은 크게 3가지로 구분되고 있는데, 첫 번째로는 흑연의 물리적 박리법, 두 번째로는 결정기판을 이용하는 화학기상층착법(CVD)이 있으며 마지막으로는 흑연의 화학적 박리법이 있다.

가. 흑연의 물리적 박리법

그림 1. 스카치 테이프를 이용한 물리적 그래핀 제조법

층상 구조의 흑연을 유리 기판 위에 올려진 양면테이프에 고정 시키고 또 다른 접착력 있는 테이프를 이용해 붙였다 떼었다를 반복하는 물리적 박리법을 수행함으로써 세계 최초로 투명한 그래핀을 얻을 수 있다고 보고되었다. 최근에는 고속으로 회전하는 분쇄 장치를 이용하여 흑연을 물리적으로 박리하는 기술에 의해 그래핀을 얻을 수 있다. 이 그래핀 위에 트랜지스터 구조를 만들고 전도성을 측정함으로써 게이트 전압에 따른 변화를 살펴보면 그 특성이 명확함을 확인할 수 있다. 박리된 흑연 조각인 그래핀을 액체 속 부유물 형태로 만든 후, 투과전자현미경을 통해 측정해 보면 단일층 그래핀을 확인할 수 있다. 

2) 고용체(固溶體, solid solution)란, 어떤 고체 결정 속에 다른 원소의 원자가 혼입되어 그 고체 결정 속에 균일하게 분포하는 형태로, 마치 용액의 경우와 같은 상태로 된 것을 말한다. 예를 들면 금 속에 은 5%를 혼입한 고체는 외관상으로는 대체로 금처럼 보이지만, 그 덩어리의 어느 부분을 취해서 분석해 보아도 용액의 경우와 마찬가지로 반드시 5%의 은이 함유되어 있다. (출처: 두산백과, 편집주)

나. 화학기상증착법

그림 2. 화학기상증착법에 의한 그래핀 제조법

화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)은 고온(1000℃)에서 니켈과 구리와 같은 금속 기판 위에 탄화수소가스를 주입함으로써 고용체2)를 만들고, 온도가 하강함에 따라 탄소 융해도가 감소하기 때문에 탄소가 금속 표면 밖으로 나오면서 결정을 형성하는 원리를 가지고 있다. 이러한 방법에 의해 제조된 그래핀은 기계적 박리법을 통해 얻은 그래핀과 상응하는 높은 결정성을 나타낸다. 산화실리콘 기판 위에 전사된 단일층 그래핀 경우 3700 cm2/Vs의 매우 우수한 전하 이동도를 나타내었다. 

다. 화학적 흑연 박리법

그림 3. 화학적 흑연 박리법에 의한 그래핀 제조법

흑연층간 화합물의 박리는 다른 두 방법과 비교하여 저비용으로 대량생산이 가능한 효과적인 방법이다. 하지만 단일층 그래핀이 여러 겹수의 그래핀과 섞여있고, 또한 많은 양의 결함 상태를 포함한다. 흑연 결정의 층을 분리해내기 위하여, 흑연으로부터 화학적 처리에 의해 흑연을 산화시킨 후 초음파를 주사하여 박리하면 산화 그래핀을 얻게 된다. 박리된 산화그래핀을 화학적 환원제나 열처리를 통해 산소 성분을 제거하는 환원 과정을 거치면 그래핀을 제조할 수 있다. 

주요 국가별 그래핀 연구동향

최근 몇 년 동안, 그래핀은 재료 과학 및 응집 물질 물리학 등의 분야에 연구가 집중되었다. 미국, 유럽 연합(EU), 일본 등과 같은 국가에서는 그래핀의 R&D 및 응용에 큰 중점을 두고 수많은 관련 연구 프로젝트를 지원 또는 발표하고 있다.

3) 슈퍼캐패시터(Super Capacitor)는 축전용량이 대단히 큰 축전지(캐패시터)로, 초고용량 축전지라고 할 수 있다. 기존의 축전지의 전기용량의 성능을 중점적으로 강화한 것이다. (편집주)

가. 미국

2006~2012년에 미국 국립 과학 재단(National Science Foundation)은 주로 그래핀 기반의 슈퍼캐패시터3) 응용 프로젝트(2009~2012)와 그래핀과 탄소 나노 튜브의 연속 및 대규모 제조(2011~2015) 등을 포함한 약 200개의 그래핀 관련 프로젝트를 지원했다.

미국 국방부(Department of Defense)와 그 산하 기관인 미국 첨단과학기술 연구소(U.S. Defense Advanced Research Projects Agency)는 보다 작고 보다 빠른 차세대 전자 기기의 개발과 테라 헤르츠 및 새로운 양자 기기로의 그래핀 응용에 초점을 맞추어 수많은 그래핀 연구 프로젝트를 수행했다.

산업화와 관련하여, 미국 오하이오 주는 리튬이온 이차전지를 위한 나노 그래핀 복합체 전극의 상업 생산 연구를 수행하기 위해 나노텍 인스트루먼트사(Nanotek Instruments, Inc.)를 지원했다. 또한 Structured Materials Industries사는 코넬(Cornell) 대학, 사우스캐롤라이나(South Carolina) 대학과 협력하여 그래핀 기반의 고감도 NO2 검출기를 개발하기 위하여 기업 기술 이전 프로젝트의 일환 수행하였다. 현재 여러 기업들에서 그래핀을 첨단산업 원료로 사용하기 위한 개발 및 사업화가 추진 중에 있다. 

4) EU 프레임워크 프로그램(Framework Programme)은 EU회원국의 연구개발 자원을 효율적으로 활용하고, 연구개발 투자를 확대 및 산업경쟁력 강화 등을 통해 유럽지역의 연구개발 환경을 혁신하기 위해 1984년부터 시작된 포괄적 공동 연구개발 프로그램이다. (편집주)

나. 유럽연합(EU)과 회원국

유럽 연합(EU)의 일곱 번째 프레임 워크 프로그램(Seventh Framework Programme, FP7)4)은 2008년 그래핀 기반의 나노 전자 기기 프로젝트를 발표했다. FP7의 공동 연구 프로젝트인 이 프로젝트에 2.39백만 유로의 연구비가 지원되었다.

유럽 연구 위원회(European Research Council)는 그래핀의 물리적 특성 및 응용 연구 프로젝트를 지원하여 영국 맨체스터 대학을 중심으로 수행되고 있다.

유럽 과학 재단(European Science Foundation)은 2008년에 19개국, 20개의 기금지원 기관에 의해 지원된 EuroGraphene 프로젝트를 착수했다. 2013년에 그래핀은 유럽 연합(EU)의 미래 주력 기술 프로젝트(future emerging flagship technology project)로 선정되어 10 년간 10억 유로를 지원, 수행 중에 있다.

다. 일본

일본 과학 기술처(Japan Science and Technology)는 2007년에 그래핀 실리콘 소재/소자 기술 개발 프로젝트에 자금 지원을 시작했다. 이 프로젝트는 일본 토호쿠(東北) 대학에 의해 수행되며, 주요 연구 방향은 그래핀 실리콘 재료/공정 기술 및 고급 보조 스위칭 소자와 플라즈마 공진 헤르츠 장치의 개발이다. 2011년부터 일본 경제산업성(Ministry of Economy, Trade and Industry)은 초경량 혁신 융합 재료 프로젝트을 시작하였고 이 프로젝트는 탄소 나노 튜브와 그래핀 배치식(batch) 합성 기술을 개발하는 것이다.

라. 대한민국

2007년부터 한국 과학기술정보통신부를 포함한 정부부처에서는 총 18.7백만 불의 연구자금을 90개의 그래핀 관련 연구 프로젝트에 지원했다. 또한 2012~2018년에 걸쳐 한국 산업통상자원부는 그래핀 분야의 연구 개발 및 상용화 추진에 250백만 불을 투자하여 연구 개발이 수행 되었으며 현재 몇몇 국내 중소기업에서 그래핀의 양산을 위한 사업화에 성공하였으며 후속 연구개발도 진행 중에 있다.

필자가 소속된 연구팀에서도 천연흑연으로부터 화학적 처리와 에어로졸 공정을 이용하여 2차원 그래핀을 3차원으로 성형한 그래핀 볼(Graphene Ball) 및 그 복합체를 제조하여 리튬이온전지 및 슈퍼캐패시터와 같은 에너지저장 소재의 전극소재로 응용하는 전(全)주기 기술을 개발하여 국내 관련 기업에 기술을 통해 상용화를 추진하고 있다.

기술 전망

가. 그래핀의 고효율 에너지 저장소재 응용기술 확보시, 신재생에너지 보급을 위한 전국적 스마트그리드 구축, 하이브리드 및 전기 자동차의 상용화, 휴대용 스마트 기기의 폭넓은 보급 등에 의해 고축전용량, 고에너지밀도, 고출력 에너지저장 소재에 대한 수요에 부응이 가능하다. 또한, 고효율 그래핀계 에너지 저장 소재 제조 실증화 기술 확보를 통해 기술 우위를 바탕으로 한 수출증대 및 세계 시장 선점이 기대된다.

나. 흑연로부터 고부가가치 원료소재인 그래핀의 제조에 관한 전주기 기술 확보시 광물자원의 고부가가치화는 물론 국가 과학기술력 제고뿐만 아니라 기업의 산업적 경쟁력을 확보할 수 있다.

다. 그래핀 제조를 위한 고품위 천연 흑연은 한국보다 북한에 매장량이 많아 남북 교류가 활발히 되어 북한의 흑연 자원의 활용이 가능해 지면 국내 그래핀 산업의 활성화에 박차를 가할 것으로 기대된다.