전기연, 뜨거운 열 없이 '상온'에서 다층 그래핀 직접 입힌다

김호섭 박사팀, 독자 개발 'K-sputtering' 장치로 '에피택시' 성장 세계 최초 구현
얇은 그래핀부터 다층 그래파이트까지 직접 성장, '차세대 복합도체' 제조 원천기술 확보

KERI 김호섭 박사(왼쪽)와 남수현 연구원이 그래핀이 입혀진 기판을 들고 포즈를 취하고 있다. 전기연구원 제공

한국전기연구원(KERI) 전력케이블연구센터 연구팀이 산업 현장에서 널리 쓰이는 코팅 장비인 '스퍼터링(Sputtering)'을 개조해, 별도의 가열 과정 없이 상온에서 한두 겹 수준의 매우 얇은 '그래핀'부터 여러 겹이 차곡차곡 쌓인 '그래파이트(흑연)' 박막까지 기판 위에 직접 성장시키는 획기적인 기술을 개발했다.
 
최근 전기차와 인공지능(AI) 데이터센터 등 각종 전력기기가 갈수록 더 많은 전기를 사용하면서, 같은 크기의 도체라도 전력 손실과 열 발생을 줄일 새로운 소재가 필요해졌다. 이때 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 얇은 신소재인 '그래핀'의 장점을 구리와 결합하면 완벽한 차세대 도체가 될 수 있다. 하지만 기존 화학기상증착(CVD) 방식으로 만든 고품질 그래핀은 다른 소재 위로 옮겨 붙여야 하는 까다로운 '전사 공정'이 필요해, 넓은 면적으로 구현하거나 금속과 여러 번 번갈아 쌓아야 하는 등 산업 현장에 적용하기가 쉽지 않았다.
 

KERI는 반도체나 디스플레이 등 기존 산업에서 널리 쓰이는 '스퍼터링' 기술에 주목했다. 스퍼터링은 재료를 아주 작은 입자로 떼어내 기판 위에 쌓는 방식이라 매우 편리하지만, 탄소를 이 방식으로 증착할 경우 원자 배열이 흐트러지며 무질서한 막으로 굳어버리기 쉬웠다. 이 때문에 원자들이 규칙적으로 배열된 고품질 그래핀을 스퍼터링으로 직접 만드는 것은 매우 어려운 과제로 여겨졌다.
 
김호섭 박사팀은 수많은 실험과 축적된 경험을 바탕으로, 스퍼터링 과정에서 눈에 보이지 않게 이동하는 탄소 입자들의 흐름과 거동을 치밀하게 분석했다. 이를 통해 그래핀 구조 형성을 방해하는 근본 원인을 찾아내고, 기판 위에서 탄소 입자가 배열되는 조건을 세밀하게 조절한 '직류(DC) 기반의 K-sputtering' 장치 및 공정을 독자 개발해 냈다.
 

KERI가 독자 개발한 '직류(DC) 기반의 K-sputtering' 장치. 전기연구원 제공 

핵심은 탄소를 표면에 마구잡이로 흩뿌리는 것이 아니라, 바닥 기판의 미세한 결을 따라 탄소 원자들이 스스로 가지런히 줄을 서며 쌓이게 만드는 이른바 '에피택시(Epitaxy) 성장' 기술을 구현한 것이다. 밑그림에 맞춰 레고 블록을 정교하게 조립하듯 원자를 차곡차곡 쌓아 올린 셈이다. 이를 통해 한두 겹의 아주 얇은 '그래핀'부터 여러 겹이 쌓인 '그래파이트(흑연)'까지 뜨거운 열 없이 상온에서 곧바로 성장시키는 데 성공했다. 기존 스퍼터링 방식으로 이렇게 정돈된 형태의 탄소 박막을 직접 만들어 낸 것은 연구진이 조사한 범위 내에서 세계 최초의 성과다.
 

연구팀은 성과의 신뢰성을 높이기 위해 인천대 김준호 교수팀, 경북대 이세희 교수팀과 협력했다. 각 기관이 보유한 라만분광법, 원자힘현미경(AFM), 투과전자현미경(TEM), 결정 방향 분석(EBSD) 등 첨단 장비를 동원하여 박막의 구조와 특성을 여러 차례 교차 검증해 기술의 객관성을 완벽하게 입증했다.
 
이번 성과는 기존 박막 제조 기술(스퍼터링) 하나만으로 고품질의 다층 그래핀을 상온에서 직접 생산할 수 있는 새로운 길을 열었다는 데 큰 의의가 있다. 무엇보다 이 기술을 활용하면 별도의 복잡한 전사 공정 없이 하나의 장비 안에서 구리 같은 금속과 그래핀을 원하는 만큼 번갈아 쌓을 수 있어, 향후 '초고성능 복합도체'를 대량 생산하기 위한 핵심 제조 원천기술의 기반을 확고히 다지게 됐다.
 
KERI 김호섭 박사는 "많은 시행착오 끝에 스퍼터링 방식으로도 탄소 원자들이 규칙적으로 정렬된 그래핀계 박막을 만들 수 있다는 가능성을 실험적으로 확인했다"라며, "앞으로 장비를 키우고 연속 생산방식으로 발전시켜, 구리와 그래핀을 번갈아 쌓은 전력기기용 '고성능 복합도체' 상용화를 이끌고 우리나라의 소부장 경쟁력을 높이겠다"라고 목표를 밝혔다.
 
본 성과는 우수성을 인정받아 재료 표면 및 코팅 기술 분야 국제 최상위급(Q1) 학술지인 'Surface & Coatings Technology(IF 6.9)'에 최근 게재됐다. 기술 보호를 위해 3건의 국내 특허와 1건의 국외 특허 출원도 마쳤다.
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