기술과 솔루션
그래핀의 특허통계 분석 및 산업 현황 보고서
작성자 : 편집부
2021-12-16 |
조회 : 1898
Ⅰ. 그래핀 개요 및 응용
개요
그래핀(graphene)은 흑연을 뜻하는 graphite와 탄소이중결합을 가진 분자를 의미하는 –ene이 결합된 용어로서 탄소원자로 이루어진 벌집 모양(6각형) 구조를 가진 2차원(2D) 물질을 말한다.
흑연은 그래핀 층이 여러 겹 겹쳐있는 3D 소재로서 자연에서 얻을 수 있는 대표적인 탄소 소재로 탄력, 내구성, 복원력, 전기/열 전도성 등이 우수하여 테니스 라켓, 골프채 샤프트, 연필심, 내열성 도가니, 윤활제, 주형 등의 소재로 사용되어 왔다.
최근에는 리튬이온 배터리 전극으로 사용되어 산업적 중요성이 커지고 있다.
2004년 영국 맨체스터대학의 Andre Geim과 Konstantin Novoselov가 연필심(흑연)에 스카치테이프로 붙였다 떼기를 반복하여 한 층의 그래핀을 분리 제조하는 기술을 발표하였고, 이들은 2010년 노벨 물리학상을 받았다. 발표된 후 매우 단기간에 노벨상이 수여되었다는 것은 그래핀의 중요성이 부각되었기 때문이다.
단일 층 그래핀은 0.34㎚로 매우 얇지만, 인장강도, 약 1 Tpa의 우수한 기계적 성질, 20%까지 연신이 가능한 유연성, 구리보다 우수한 전기전도도, 다이아몬드보다 우수한 등방성 열전도도, 매우 높은 투명성 및 화학적 안정성을 갖고 있다.
그래핀 제조는 크게 2가지로 나누어진다. 그래파이트 입자를 층 분리(박리)하여 그래핀을 제조하는 방법(flake 방법)과 탄화수소 물질을 이용해 그래핀을 필름 형태로 합성, 제조하는 방법이 있다. Flake 방법은 그래파이트를 강산 등으로 처리하여 한 겹 또는 수 겹 층상 물질로 박리된 그래핀이 뭉쳐져 있는 flake를 만드는 것으로 전도성 잉크, 플라스틱 첨가제 등으로 활용이 연구되고 있다.
필름형은 얇은 구리박 등의 기판 위에 고온에서 탄화수소 가스를 화학 증착법(CVD) 법으로 반응, 성장시켜 필름 형태의 그래핀을 만들고, 구리 기판에서 다른 물체 위에 전사하여 활용하는 방법이다. 필름형 그래핀은 롤투롤(R2R) 방식으로 연속 생산이 가능하며, 투명전도성 전극 등으로 응용이 연구되고 있다.
응용연구
그래핀은 기존 탄소 소재와 달리 나노미터 단위 수준의 제어를 통하여 제조되는 소재로 광범위한 분야에 응용할 수 있다
그래핀은 제조공정이 복잡하고 고순도 제품 생산이 어려웠으나 지난 10여 년간 제조 방법, 제조 장치, 분석 등에 대한 연구개발 결과, 최근 제조와 활용 면에서 큰 발전이 이루어지고 있다.
그래핀에 관련된 연구개발로는 제조공정개발, 응용 탐색, 제조 장비 개발이 주로 이루어지고 있다. 초기에는 그래핀의 분리, 물성 측정 등 기초연구에 주로 초점이 맞춰져 있었으나, 최근 연구개발 활동이 빠르게 확대되면서 고성능 투명전극, 메모리소자, 스핀소자, 고주파소자 등에 대한 응용연구가 이루어지고 있다.
현재 연구되고 있는 잠재적인 응용 분야는 다음과 같다.
• batteries
• transistors
• computer chips
• energy generation
• supercapacitors
• DNA sequencing
• water filters
• antennas
• touchscreens (for LCD or OLED displays)
• solar cells
• Spintronics-related products
Ⅱ. 국내외 산업 동향
국내 동향
그래핀은 매우 우수한 특성으로 인해 “꿈의 신소재”로 알려져 있으며 대학, 산업, 정부의 관심이 매우 높아 외국은 물론 국내에서도 연구개발에 많은 투자가 이루어지고 있다.
포스코는 포항시-RIST-포스텍-그래핀 스퀘어와 업무협약을 체결하여 그래핀 생태계 조성을 주도하고 있다. 포항시는 그래핀 특구 조성, 소재 및 응용 기술 기업 유치를 담당하고 있으며, 포스텍은 그래핀 국제표준평가센터 구축 및 응용제품 분석지원, RIST는 그래핀 양산설비 구축 지원 및 공정개발, Graphene Square(서울대 홍병희 교수 창업)는 그래핀 양산체제 구축, 응용 기술개발, 대면적 R2R 연속 합성법을 개발하고 있다.
그래핀 제조 기업으로서 스탠다드그래핀사는 2006년도부터 그래핀 연구개발을 시작하였으며 비 산화 박리법으로 flake 형태의 그래핀을 생산하고 있다. 제품으로는 graphene oxide, reduced graphene oxide, super graphite가 있다. 케이비엘러먼트사도 비 산화 그래핀 소개 개발 및 양산 기술을 보유하고 있으며, 삼성디스플레이, LG디스플레이에 공급하고 있다. 자동차산업용 방열 소재와 슈퍼 커패시터 분야에 활용하기 위해 역량을 집중하고 있다.
그래핀랩사는 2018년 세계 최초 CVD 이용 그래핀 사업화 및 필름 양산설비를 보유하고 있으며, CVD 법 및 플레이크 형태의 그래핀 생산에 관심을 갖고 있다.
최근에 한화에어로스페이스에서 그래핀 사업을 인수한 영국 Versarien와 협력관계를 맺었다. 참그래핀사는 CVD 법 R2R 그래핀 제조 장치와 제조공정을 개발하고 있다. 그래핀 제조 원가를 줄이기 위해 CVD 법의 주요 부재인 동박의 박막화를 추진하고 있으며, 독일 Schlenk사와 협력하여 극박인 6미크론 두께의 그래핀 전용 동박 생산을 계획하고 있다.
한국화학연구원은 흑연을 전기화학적으로 박리하여 그래핀을 제조하는 공정을 개발하여 엘브스지켐텍사에 기술이전 하였다.
그래핀을 활용한 응용연구에도 삼성전자, 엘지전자 등의 대기업은 물론 여러 중소기업들이 관심을 갖고 있다. 이엔플러스사는 전기차/스마트폰용 배터리 전극용 도전재와 배터리 방열 커버, 스마트폰/TV용 방열 소재, 그래핀과 CNT로 구성된 복합도전재 액체 솔루션을 개발하고 있다.
네오인프라사는 그래핀 나노입자를 골고루 분산시켜 혼합/배합하는 MEPPS 기술을 이용, 그래핀 마스터배치를 개발하여 섬유회사인 휴비스에 공급하고 있다. 휴비스는 이를 이용하여 그래핀 섬유를 상업생산하고 있다.
그래핀 함유 섬유는 화이트컬러 원사 생산이 가능하고 우수한 염색성 원단으로서 항균/항바이러스, 원적외선 방출, 정전기방지 기능을 가져 특수 작업복용 도전사로서 활용이 가능하다.
엠씨케이테크사는 그래핀을 활용, 소변 내 Na, K 이온 농도를 측정할 수 있는 바이오 센서 개발을 하고 있다. 플로우테크사는 그래핀 전극의 내구성과 내식성을 이용하여 반도체 공정의 불산, 황산 누출을 감지할 수 있는 유해 물질 누액 센서를 개발하고 있다. 콘택트렌즈 전문업체인 인터로조사는 Graphene Square사와 협력하여 그래핀을 적용한 스마트콘택트렌즈 및 의료용 콘택트렌즈를 개발하고 있다.
이외에도 그래핀은 시멘트, 이어폰(진동 막), 고탄성 신발 중창 폼을 장착한 하이킹화 등에 응용이 시도되고 있다.
국외 동향
단일 층의 그래핀 제조는 영국의 맨체스터대학에서 처음 보고되어 노벨상을 받았고, 영국에서 연구개발이 매우 활발하다. 영국 정부는 맨체스터대학에 National Graphene Institute(NGI)를 설치하여 그래핀 연구를 지원하고 있다.
이외에도 독일, 이탈리아 등 다수 유럽국가가 R&D 프로그램을 통해 그래핀 연구개발을 지원하고 있다. 이외에도 미국, 중국, 한국, 인도 등에서 활발히 연구되고 있다.
그래핀의 응용, 생산, 관심 기업(제조 기업, 응용개발기업, 장비 기업, 그래파이트 채굴기업, 기타 서비스 기업) 등에 대한 정보는 www.graphene-info.com/companies에 자세히 나와 있다.
III. 특허통계 동향 및 분석
1. 분석 범위 및 대상 건수
2. 글로벌 특허 동향
IP5(韓·美·日·中·EU) 특허청을 대상으로 출원·등록된 특허 건수를 시계열적으로 분석하여 글로벌 기술시장의 동향 (연구개발 현황 및 기술 성숙도 등)을 분석하고자 하였다.
• IP5(韓·中·日·美·EU) 출원 건수는 총 11,743건으로 2009년 이후 급격히 증가하여 2016년 1,857건으로 가장 많이 출원한 것으로 나타났으며, IP5 등록 건수는 총 5,325건으로 2011년 이후 급격히 증가하여 2019년 959건으로 가장 많이 등록된 것으로 나타났다.
• IP5 전체 특허 기술 성장단계는 출원인 수와 출원 건수가 모두 증가하는 성장단계로서, 모든 발행국에서도 출원인 수와 출원 건수가 모두 증가하는 성장단계인 것으로 나타났다.
3. 국가별 IP 경쟁력
출원인 국적을 기준으로 IP5 각 특허청에 출원·등록된 특허 건수를 분석하여, 글로벌 기술시장에서의 각 국가별(국적별) 경쟁력을 진단하였다.
• CN 국적 출원인은 2008년부터 출원 활동을 보이고 있으며, 2016년에서 2018년 사이 매년 1,000건 이상 출원한 것으로 나타났다. KR 국적 출원인에 의한 출원 활동은 2011년 이후 증가하여 2014년 156건으로 가장 많이 출원한 이후 점차 감소하는 것으로 나타났다.
• 2000~2019년 기준 IP5 전체 등록 건의 주요 출원인은 CAS, SEL, SAMSUNG, ZHEJIANG UNIV, NANOTEK 등의 순으로 나타났고, TOP10의 등록 건수는 총등록 건수의 19.3% 차지(1,029건/총 5,325건)하고 있으며, 중국과학원 CAS, 저장대학, OKTECH 등 중국의 대학, 기업이 외국보다는 중국 특허를 주로 등록하였다.
• 등록 건 기준 KIPO의 TOP10에는 SAMSUNG, LG, KAIST, SUNGKYUNKWAN UNIV, KIST 등 우리 기업, 대학 및 연구소가 상위 10에 포함되어 있는 것으로 나타났다. SAMSUNG은 한국, 미국, 유럽 등에서 최상위권을 특허를 갖고 있다.
• 출원인 구분에 따른 국내의 출원 점유율은 기업(47.6%) > 대학(31.2%) > 연구소(15.5%) > 개인(5.7%) 순으로, 등록 점유율은 기업(43.2%) > 대학(36.4%) > 연구소(18.3%) > 개인(2.1%) 순으로 나타났다.
IV. 결론
그래핀은 2004년 영국 맨체스터대학 연구진이 제조 방법과 구조를 보고한 단일 층(혹은 수 겹) 탄소계 신소재로서 기계적, 전기 및 열 전도성, 투명성, 내화학성 등이 매우 뛰어난 특성을 갖고 있다. 그래핀은 복합소재용 첨가제, 투명전극, 방열 소재 등의 소재로서 다양하게 연구되고 있다.
그래핀의 제조는 크게 그래파이트를 박리하는 방법(Flake 법)과 탄화수소계 물질을 금속판 위에 CVD 법으로 반응시켜 박막 필름 형태(필름 법)로 만드는 방법이 사용되고 있다. 현재까지 경제성을 가진 양산 방법이 확립되어 있지 않으며 다 수의 기업들이 제조공정, 응용, 제조 장치 등에 관한 연구를 수행하고 있다.
제조 방법의 최적화, 결함/불순물의 저감, 구조의 정밀 분석 방법, 다양한 응용 분야 창출 노력이 요구되고 있다. 국내에서는 스탠다드그래핀, 그래핀스퀘어, 참그래핀 등 여러 벤처기업이 생산 및 응용 분야의 사업화를 추진하고 있다.
특허 동향 분석으로는, 2010년대 이후 출원이 급격히 늘고 있으며, 중국의 대학, 기업들의 중국 내 활동이 매우 활발하다.
IP5 전체 특허 기술 성장단계 분석 결과, 출원인 수와 출원 건 수가 모두 증가하는 성장단계이고, 모든 발행국에서도 출원인 수와 출원 건수가 모두 증가하는 성장단계인 것으로 나타났다.
국내에서는 삼성, LG 등 대기업과 KAIST, 성균관대 등이 상위권의 특허를 보유하고 있다. 반면에 제조 및 응용 분야에서 연구개발을 활발히 하고 있는 중소기업의 지식재산권 확보 노력이 부족한 것으로 나타났다.
