- 상온서 그래핀 직접 성장시켜

- 구리와 번갈아쌓아 전력손실↓

김호섭 박사(왼쪽)와 남수현 연구원이 그래핀이 입혀진 기판을 들고 포즈를 취하고 있다.[한국전기연구원 제공]
김호섭 박사(왼쪽)와 남수현 연구원이 그래핀이 입혀진 기판을 들고 포즈를 취하고 있다.[한국전기연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀을 뜨거운 열을 가하지 않고 상온에서 기판 위에 곧바로 만들어내는 기술을 개발했다. 전기차와 인공지능(AI) 데이터센터의 전력 손실과 발열을 줄일 차세대 구리·그래핀 복합도체 개발에 속도가 붙을 전망이다.

한국전기연구원(KERI)은 전력케이블연구센터 김호섭 박사·남수현 연구원 연구팀이 독자 개발한 ‘K-스퍼터링(K-sputtering)’ 장치로 상온에서 그래핀계 박막을 직접 성장시키는 데 성공했다고 27일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 얇은 신소재다. 뛰어난 전기적·열적 특성을 지녀 구리와 결합하면 전력 손실과 발열을 줄일 차세대 고성능 도체 소재로 활용할 수 있다.

문제는 제조공정이다. 기존 화학기상증착(CVD) 방식으로 고품질 그래핀을 만들면 이를 다른 소재 위로 옮겨 붙이는 ‘전사 공정’이 필요하다. 대면적 제조가 까다로운 데다 금속과 그래핀을 여러 차례 번갈아 쌓는 복합도체를 대량생산하는 데도 한계가 있었다.

연구팀은 반도체와 디스플레이 산업에서 이미 널리 사용하는 ‘스퍼터링’에서 돌파구를 찾았다. 스퍼터링은 재료를 미세한 입자로 떼어 기판 위에 쌓는 대표적인 박막 제조기술이다.

하지만 탄소를 스퍼터링으로 증착하면 원자 배열이 흐트러진 무질서한 막이 만들어지기 쉽다. 탄소 원자가 규칙적으로 배열된 고품질 그래핀을 직접 성장시키기 어려웠던 이유다.

연구팀은 스퍼터링 과정에서 이동하는 탄소 입자의 흐름과 거동을 분석해 그래핀 구조 형성을 방해하는 원인을 찾아냈다. 이를 토대로 기판 위에서 탄소 입자가 배열되는 조건을 정밀하게 제어하는 직류(DC) 기반 ‘K-스퍼터링’ 장치와 공정을 독자 개발했다.

핵심은 ‘에피택시(Epitaxy) 성장’이다. 탄소를 무작위로 쌓는 대신 기판의 결정 방향을 따라 탄소 원자가 규칙적으로 배열되도록 했다. 밑그림을 따라 레고 블록을 차곡차곡 쌓듯 원자 배열을 제어한 것이다.

연구진이 최적의 그래핀 합성 환경을 구현하기 위해 K-sputtering 장비 내의 잔류 가스를 정밀 분석하고 있다.[한국전기연구원 제공]
연구진이 최적의 그래핀 합성 환경을 구현하기 위해 K-sputtering 장비 내의 잔류 가스를 정밀 분석하고 있다.[한국전기연구원 제공]

이를 통해 별도의 가열공정 없이 상온에서 한두 겹의 얇은 그래핀부터 여러 층으로 이뤄진 그래파이트까지 직접 성장시키는 데 성공했다. 연구팀이 조사한 범위에서는 기존 스퍼터링 방식으로 이처럼 정렬된 그래핀계 탄소 박막을 직접 성장시킨 세계 최초 사례다.

이 기술의 강점은 산업현장에서 이미 광범위하게 활용하는 스퍼터링 공정을 이용한다는 점이다. 복잡한 전사 과정 없이 하나의 장비 안에서 구리와 그래핀을 원하는 만큼 번갈아 쌓는 것도 가능하다.

연구팀은 이를 기반으로 구리의 전기전도 특성과 그래핀의 장점을 결합한 ‘초고성능 복합도체’ 개발을 추진한다. 전력 사용량과 발열이 급증하고 있는 AI 데이터센터와 전기차 등 고전력 전기기기에 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

김호섭 박사는 “많은 시행착오 끝에 스퍼터링 방식으로도 탄소 원자들이 규칙적으로 정렬된 그래핀계 박막을 만들 수 있다는 가능성을 실험적으로 확인했다”며 “앞으로 장비를 대형화하고 연속 생산방식으로 발전시켜 구리와 그래핀을 번갈아 쌓은 전력기기용 고성능 복합도체 상용화를 이끌겠다”고 말했다.

이번 연구성과는 재료 표면·코팅 분야 국제학술지 ‘서피스 앤 코팅스 테크놀로지(Surface & Coatings Technology)’에 게재됐다. 연구팀은 관련 기술에 대해 국내 특허 3건과 국외 특허 1건도 출원했다.


nbgkoo@heraldcorp.com