그래핀은 탄소 하나로 이루어진 2차원 구조이지만 그 생산법은 다양합니다.
Top down 방식 VS Bottom-up 방식
크게 Top down 방식, Bottom-up 방식으로 2가지 방식으로 살펴보면
· Top-down 방식 : 흑연(graphite)을 잘게 분리(exfoliate)해서 그래핀을 얻는 물리적/화학적 분해 방식으로
큰 구조(흑연)를 쪼개서(분리/박리해서) 그래핀을 만드는 방식입니다.
· Bottom-up 방식 : 기초 원자나 분자로부터 그래핀을 합성하여 성장시키는 방식으로
탄소 원자를 이용해 그래핀 구조를 ‘밑에서부터’ 화학적으로 성장시키는 방식으로 이해 할 수 있습니다.
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구분
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Top Down
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Bottom Up
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원리
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흑연을 쪼개서 분리
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탄소를 화학적으로 성장시킴
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주요 공정
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박리, 환원, 전기화학 등
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CVD, 에피택셜, 유기합성 등
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형태
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분말, 플레이크 (GNP, rGO 등)
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박막, 시트 (단층 그래핀)
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장점
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저가, 대량 생산, 단순 공정
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고품질, 단층 제어, 정밀 응용 가능
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단점
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결함 많음, 품질 불균일
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공정 복잡, 비용 높음
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주요 활동 분야
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복합소재, 잉크, 대전방지, 에너지
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반도체, 디스플레이, 센서 등
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출처: ID Tech EX
그래핀 주요 제조 방식
좀 세부적으로 구분한다면 다음 6가지 방식이 현재 전세계적으로 많이 사용 되는 제조 방식입니다.
01. 환원 산화법 (rGO, reduced Graphene Oxide)
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과정
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흑연(graphite)을 강한 산화제로 산화시켜 흑연 산화물(graphite oxide)을 만든 후
이를 물에 용해시켜 그래핀 산화물(graphene oxide, GO)로 박리. 이후 환원 과정을 거쳐 환원 그래핀 산화물(rGO)을 생성
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특징
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완전한 그래핀 구조(pristine graphene)는 아니며 환원 과정에서 탄소-산소 결합이 제거되면서 구조적 결함이 발생.
잔류 산소(<5%) 가 남음. |
02. 직접 박리법 (Direct Exfoliation)
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과정
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· 흑연을 직접 박리하여 그래핀을 얻음.
· 대표적인 방법: NMP(엔-메틸-피롤리돈)용매와 계면활성제 사용으로 박리 유도 후
플라즈마 또는 전기화학적 방법을 통해 흑연 표면을 처리하고 박리 |
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특징
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화학 변형 없이 상대적으로 구조 보존된 그래핀 생산 가능
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출처 : ID Tech Ex
03. 바텀업 그래핀 플레이트렛 합성 (Bottom-up Graphene Platelet Synthesis)
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과정
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주로 화학기상증착(CVD)을 통해 탄소 함유 가스(예: 메탄)를 분해하고 촉매나 플라즈마 존재하에 그래핀 나노플레이트렛을 성장
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특징
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구조적 정합성과 결정성이 높은 정밀 합성 가능
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04. 전기화학적 박리법 (Electrochemical Exfoliation)
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과정
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흑연에 전압을 가하여 이온이 층간에 삽입되고 층간 간격이 벌어지며 그래핀이 박리됨
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특징
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톱다운 방식, 공정 제어가 상대적으로 쉬움
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출처 : IDTech Ex
05. CVD 그래핀 시트 (CVD Graphene Sheet)
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과정
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고온(800˚C 이상)의 퍼니스에 탄소 함유 가스를 주입.
구리(Cu) 기판 위에 흡착시켜 단일층 그래핀 형성
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특징
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고품질의 단층 그래핀 시트 생산 가능. 단, 생성 후 다른 기판으로 전사 과정이 필요.
이 과정이 까다롭고 손상이 발생할 수 있음
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** 롤투롤(Roll-to-Roll) 전사 공정
06. 에피택셜 성장 (Epitaxial Growth)
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과정
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여러 방법이 있으나 대표적으로 탄화규소(SiC)의 열분해 통해 그래핀 형성
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특징
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기판과의 직접 성장으로 전사 과정이 불필요한 경우도 있음
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출처: IDTech Ex
전 세계 그래핀 제조 공정, 플라즈마 공정 (Plasma Process) 에 주목
플라즈마 기술은 최근 그래핀의 제조 및 처리 공정에서 점차 중요성이 커지고 있습니다.
과거에는 주로 학술적 연구에 머물렀지만, 최근 들어 상용화 가능성이 높아지며 산업적 활용이 활발해지는 추세입니다.
예를 들어, 기존 CVD(화학기상증착) 공정에 플라즈마를 접목하거나, 메탄을 이온화하는 방식 등이 이에 해당됩니다. 현재 Levidian, GMG(Graphene Manufacturing Group) 등의 기업을 중심으로 상업적 적용이 확산되고
있으며 이 공정은 그래핀의 기능화(functionalization) 측면에서도 핵심적인 역할을 하고 있습니다.
왜 플라즈마가 중요한가요 ?
플라즈마 공정 (Plasma Process) 을 그래핀 제조에 활용할 경우
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1. 친환경·비화학적 공정
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· 기존 화학적 방법(rGO 등)은 산화제, 환원제 등 유해 화학물질 사용
플라즈마는 화학물질 없이도 흑연을 박리하거나 그래핀을 기능화할 수 있는
청정 기술
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2. 그래핀 품질 향상
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· 플라즈마 조건을 정밀하게 제어하면 다층, 단층 그래핀 모두 생성 가능
· 결함이 적고 결정성이 높은 그래핀을 얻을 수 있는 가능성
→ 고성능 응용(센서, 전자소자 등)에 유리
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3. 기능화 Functionalisation
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· 그래핀 표면에 전도성, 친수성, 화학 반응성 등을 부여하는 기능화 작업에 매우 효과적
· 다양한 응용 소재 개발 가능 (에너지 저장, 복합재, 센서 등)
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4. 다양한 공정 적용 가능
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· Plasma exfoliation: 흑연을 박리하여 그래핀 생산
· Plasma functionalisation: 그래핀에 화학적 기능기를 부착
· Plasma-enhanced CVD: 플라즈마를 보조 에너지로 사용하는 증착 공정
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플라즈마 공정을 활용한 '비산화 그래핀' 양산 기술
케이비엘러먼트
케이비엘러먼트 플라즈마 공정(Plasma Process) 통해 물리적 박리 방식의 '비산화 그래핀'을 양산하고 있습니다.
Chemical 처리 공정을 거치지 않기 때문에 오폐수로 인한 환경 오염에 대한 우려가 없고 관련 처리 비용 또한 절감 되어 제조 단가 측면에서 뛰어난 경쟁력을 갖추고 있습니다.
'비산화 그래핀 제조 공정 + 대기압 플라즈마 설비 자체 개발' 로 국제 특허 등록 완료
케이비엘러먼트는 전 세계 유일하게 대기압 Plasma 공정을 기반으로 하는 "비산화 그래핀' 원천 제조 기술을 확보 하고 있으며 한국, 미국, 일본, 중국 등 세계 주요국에서 관련 특허를 보유하고 있습니다.
'그래핀 제조 장치 및 그래핀 제조 방법', '고온 플라즈마 방사법을 활용한 그래핀 연속 대량 제조 방법 및 이의 제조방법으로 제조된 그래핀' 관련 한국 특허와 '그래핀 연속 대량 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 그래핀' 의 미국, 일본, 중국 특허 획득으로 기술력을 입증하였습니다.
출저 : 케이비엘러먼트 특허권 - 비산화 그래핀 양상 관련 원천 제조 기술
또한 우수한 품질의 그래핀을 바탕으로 2025년 1월에는 대기업 1차 납품 벤더사로부터 양산 성능 평가(환경유해물질미검출)를 통과하여 친환경성과 고품질의 친환경 소재로 품질을 동시에 입증하였습니다.
이러한 독보적인 기술력을 바탕으로 비산화 그래핀 및 복합소재의 양산 체제를 구축하여 성장성이 높은 다양한 핵심 산업으로의 진출과 시장 성장을 목표로 합니다.
케이비엘러먼트의 비산화 그래핀 소재는 다양한 산업 분야에서 응용 가능성을 지니고 있으며 그래핀 상용화에 앞장서고 있습니다.
