KERI, 상온서 다층 그래핀 직접 성장…복합도체 제조 길 열었다[과학을읽다]

독자 개발 'K-스퍼터링'으로 에피택시 성장 구현
구리·그래핀 반복 적층 가능…차세대 복합도체 적용 기대

뜨거운 열을 가하지 않고 상온에서 그래핀을 기판 위에 직접 성장시키는 기술이 개발됐다. 기존 산업현장에서 널리 사용하는 스퍼터링 장비를 활용해 한두 겹의 얇은 그래핀부터 여러 층이 쌓인 그래파이트(흑연)까지 만들 수 있어 차세대 고성능 복합도체 제조에 활용될 것으로 기대된다.

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

'직류(DC) 기반의 K-스퍼터링(sputtering)'을 이용한 박막 증착 원리 모식도. 연구팀 제공

그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 얇은 소재다. 전기적·열적 특성이 뛰어나 구리 등 기존 금속과 결합하면 전력 손실과 발열을 줄이는 고성능 도체를 만드는 데 활용할 수 있다. 전기차와 인공지능(AI) 데이터센터 등의 전력 수요가 늘면서 이러한 복합도체의 필요성도 커지고 있다.

문제는 제조 공정이다. 기존 화학기상증착(CVD) 방식으로 고품질 그래핀을 만들려면 높은 온도가 필요하고, 만들어진 그래핀을 다른 소재 위로 옮기는 '전사 공정'을 거쳐야 한다. 넓은 면적에 적용하거나 금속과 그래핀을 여러 층으로 번갈아 쌓는 데 걸림돌이었다.

탄소 원자 배열 제어해 '에피택시 성장'

연구팀은 반도체와 디스플레이 산업에서 널리 사용하는 스퍼터링에 주목했다. 스퍼터링은 재료에서 미세한 입자를 떼어내 기판 위에 쌓는 방식이다. 하지만 탄소를 스퍼터링으로 증착하면 원자 배열이 흐트러져 무질서한 막이 형성되기 쉬워 규칙적인 구조를 가진 그래핀을 만드는 데 한계가 있었다.

연구팀은 스퍼터링 과정에서 탄소 입자의 흐름과 거동을 분석해 그래핀 구조 형성을 방해하는 원인을 찾아냈다. 이후 기판 위에서 탄소 원자가 배열되는 조건을 조절할 수 있는 직류(DC) 기반 K-스퍼터링 장치와 공정을 개발했다.

핵심은 기판의 결정 구조를 따라 탄소 원자가 규칙적으로 배열되도록 하는 '에피택시(Epitaxy) 성장'을 구현한 것이다. 이를 통해 별도의 가열 과정 없이 상온에서 한두 겹의 그래핀부터 여러 겹의 그래파이트 박막까지 직접 성장시키는 데 성공했다. 연구진이 조사한 범위에서는 기존 스퍼터링 방식으로 이 같은 탄소 박막의 에피택시 성장을 구현한 것은 처음이다.

연구팀은 인천대 김준호 교수팀, 경북대 이세희 교수팀과 함께 라만분광법과 원자힘현미경(AFM), 투과전자현미경(TEM), 전자후방산란회절(EBSD) 등을 이용해 만들어진 박막의 구조와 특성을 교차 검증했다.

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

이번 기술은 별도의 전사 공정 없이 하나의 장비에서 구리 등 금속과 그래핀을 반복적으로 쌓을 수 있다는 점에서 의미가 있다. 향후 공정을 대면적·연속생산 방식으로 확장하면 전력기기에 사용하는 고성능 그래핀·금속 복합도체 제조에 활용할 수 있을 것으로 연구팀은 보고 있다.

김 박사는 "많은 시행착오 끝에 스퍼터링 방식으로도 탄소 원자가 규칙적으로 정렬된 그래핀계 박막을 만들 수 있다는 가능성을 실험적으로 확인했다"며 "앞으로 장비를 대형화하고 연속 생산 방식으로 발전시켜 구리와 그래핀을 번갈아 쌓은 전력기기용 고성능 복합도체 상용화를 추진하겠다"고 말했다.

연구 결과는 재료 표면·코팅 분야 국제학술지 '서피스 앤드 코팅스 테크놀로지(Surface & Coatings Technology)'에 게재됐다. 연구팀은 관련 기술에 대해 국내 특허 3건과 해외 특허 1건을 출원했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr