[르포] ‘꿈의 소재’ 그래핀, ‘마스터배치’ 통해 활용 폭 넓힌다

[산업일보]
“기존에는 그래핀을 양산하는데 30단계의 공정이 필요했지만 케이비엘러먼트는 대기압 플라즈마 기법을 이용해 단 5단계로 그래핀을 양산할 수 있습니다”

경기도 파주 신촌산업단지에 위치한 (주)케이비엘러먼트는 2016년에 설립된 이래 지금까지 그래핀 양산 기술 개발을 추진해 상용화에 나서고 있다. 최근에는 ‘그래핀 마스터 배치’의 개발에도 성공해 관련 사업 확대를 추진하고 있다.

최근 방문한 케이비엘러먼트는 기존의 산화‧환원 방식이 아닌 자체 개발한 대기압 플라즈마 형태로 그래핀을 양산하고 있다.

현재 회사가 위치한 파주에 자리를 잡는 과정부터 순탄치는 않았다. 그래핀이 화학업종으로 분류되기 때문이다.

김진웅 케이비엘러먼트 이사는 “화학 업종은 원칙적으로 수도권에 신규 공장은 지을 수 없어 기존의 화학 업종 사업장을 인수하는 방식으로 공장을 마련했다”며 “2016년에 법인을 설립한 뒤 2022년부터 파주에서 본격적인 그래핀 양산에 나설 수 있게 됐다”고 말했다.

기존 공정의 1/6 수준으로 공정 단계 축소…그래핀의 양산 문턱 낮춰



그래핀(GRAPHENE)은 탄소 원자가 육각형 벌집 모양으로 배열된 2차원 소재다. 전기전도성·열전도성·강도 등이 뛰어나 모빌리티와 디스플레이 등 다양한 산업 분야에서 활용 가능성이 높다.

그러나 복잡한 양산 공정과 이에 따른 비용 부담은 그래핀 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.

김 이사는 그래핀 제조 방식을 크게 톱다운(top-down)과 버텀업(bottom-up)으로 나눠 설명했다. “화학 증착(CVD) 등 버텀업 방식은 품질은 우수하지만 공정 비용이 높아 대량 생산이 어렵다”며 “화학적 박리법(산화·환원 방식)은 강산을 활용해 흑연에서 그래핀을 분리하는 방식으로 대량 생산은 가능하지만, 순도가 낮고 오폐수 처리 등 30단계의 공정이 필요해 제조 비용이 높다”고 말했다.

케이비엘러먼트는 화학물질을 쓰지 않고 플라즈마 에너지로 흑연을 분리하는 독자 공정을 개발해 사용하고 있다.

김 이사는 “흑연 원료를 전처리하는 'Graphite Treatment', 대기압 플라즈마로 흑연 층을 분리하는 'Plasma Intercalation', 질소가스를 활용한 2차 분산, 고압·초음속 유체를 이용한 3차 분산, 분무·냉동 건조로 그래핀 플레이크 완성 등 총 5단계로 공정이 끝난다”고 언급했다.

회사 측의 설명에 따르면, 대기압 플라즈마 공법은 기존 화학적 공정보다 훨씬 단순하면서도 오폐수가 발생하지 않는 친환경 공정이다. 특히, 공정이 단순화됨에 따라 제조 원가도 기존 대비 10분의 1 수준까지 낮췄다는 게 회사 측 주장이다.

마스터배치로 그래핀 활용 범위 넓힌다

국내 그래핀 시장은 완제품을 수입하거나 원료를 수입해 국내에서 가공·유통하는 구조가 형성돼 있다. 이에 따라 해외 의존도가 높고 공급망이 불안정할 수밖에 없는 태생적 한계가 있다.

현재 케이비엘러먼트의 사업구조는 ▲그래핀 파우더 ▲고객 맞춤 분산액(잉크·페이스트) ▲폴리머와 합성한 마스터배치 3단계로 구성된다. 케이비엘러먼트 측의 설명에 의하면, 이 세 단계를 모두 수행하는 국내 기업은 케이비엘러먼트뿐이며 현재 파주 공장에서 그래핀 파우더는 연간 최대 21톤, 분산액은 최대 2천100톤의 생산이 가능하다.

그래핀 마스터배치는 케이비엘러먼트에서 주력 상품으로, 그래핀 파우더를 폴리머와 균일하게 분산해 펠렛 형태로 만든 중간재다.

김 이사는 “그래핀을 파우더 형태 그대로 쓰면 기존 소재와 잘 섞이지 않고 비산·분진으로 작업 환경이 나빠질 수 있다”며 “펠렛 형태의 마스터배치는 별도 설비 없이 기존 생산 공정에 바로 투입할 수 있고 정량 투입이 쉽다”는 점을 강점으로 들었다.

그래핀 마스터배치의 적용이 가능한 폴리머는 HDPE, PP, PA6, PA66, PET, TPU, ABS 등으로 다양하다. 회사 측이 공개한 폴리머별 물성 개선 데이터를 보면, HDPE는 물리적 강도가 약 30% 향상되고 탄성율이 50% 기존 소재의 단점을 보완할 수 있다. PP는 물리적 강도 약 25%, 충격강도 약 30% 향상으로 고주파 흡음·차음 성능이 좋아진다는 것이 회사 측의 설명이다.

PA6는 물리적 강도 약 20% 향상과 함께 흡습 후에도 물성이 유지돼 치수 안정성이 개선된다. ABS는 물리적 강도 약 15%, 인장강도 약 15% 향상으로 장기 외부 노출 시에도 표면 열화와 강도 저하를 줄일 수 있다. 그래핀 함량이 전체 소재의 1%를 넘지 않아도 이런 물성 증가가 나타난다는 게 회사 측 설명이다.

실제 적용 사례의 경우 스포츠 운동화(PA6·PET·TPU 소재)에는 마스터배치 적용으로 무게가 약 14% 줄고 인장강도가 약 60%, 신장률이 약 55%, 찢김성이 약 55%, 내마모성이 약 30% 늘었다. 아울러, 굴곡평가 10만 회를 통과했다고 케이비엘러먼트 측은 말했다.

차량용 흡음재(PP 소재)는 무게는 25%가 줄어들었고 소음 억제는 약 15% 개선 효과가 있었다고 밝혔다. 해양 부표(HDPE·ABS 소재)는 두께와 무게를 각각 약 20% 줄이면서도 인장강도는 약 16%, 굴곡강도는 약 16% 높아지고 굴곡탄성률은 약 2배 높아졌다고 소개했다. 케이비엘러먼트는 인조잔디·자동차 매트(PA6·PP·PE 소재)는 내후성과 내구성이 강화되고 소음·진동 흡수 효과가 높아져 교체 주기를 늘릴 수 있다는 장점도 함께 강조했다.

디스플레이 넘어 자동차·스포츠까지…그래핀 적용처 확대



케이비엘러먼트에서 생산한 그래핀은 현재 다양한 분야에서도 사용되고 있다.

삼성디스플레이·LG디스플레이의 대전방지 코팅제로 2020년부터 공급 계약을 맺어 왔고, 중국 디스플레이업체 BOE(2023년)에 이어 Tianma, CSOT로도 공급을 확대하고 있다. 이녹스첨단소재를 통해 삼성 폴더블폰의 방열 소재로도 적용됐다.

소비재 분야에서는 국내 와이퍼 제조사의 프리미엄 모델에 2026년 4월부터 코팅제가 양산 적용됐고, 3M 협력사와는 전도성 장갑을 공동 개발해 올해 3분기 말 양산을 준비 중이다.

나이키·아디다스 등 글로벌 스포츠브랜드에 원단을 공급하는 국내 기업에도 마스터배치를 납품해 2027년 출시 예정인 6종의 운동화에 적용될 예정이다. 이 밖에 해양 부표, 코오롱글로텍의 인조잔디, 주요 완성차 업체의 자동차 흡음재에도 마스터배치의 기술이 사용됐다.

김 이사는 “유럽·북미 시장을 겨냥한 해외 상사, 일본·중화권 시장을 겨냥한 일본계 상사와 각각 MOU를 맺고 협업을 진행 중”이라고 밝힌 뒤 “정부가 추진하는 '15대 초혁신 경제 프로젝트' 중 국가전략첨단소재·부품 분야에 그래핀이 포함돼 있고, 케이비엘러먼트도 참여기업으로 이름을 올리고 있다”고 전했다.

한편 케이비엘러먼트는 2025년 ‘글로벌 강소기업 1,000+프로젝트’에 선정됐으며, 2026년에는 140억 원 규모의 시리즈 A 투자를 유치했다.