‘꿈의 신소재’ 그래핀, 복잡한 공정 없이 상온서 고품질로 만든다

전기연, 코팅장비 ‘스퍼터링’ 활용… 기판 위에 탄소원자 규칙 배열 얇은 그래핀부터 다층 흑연까지 성장… 전력기기용 복합도체 생산에 활용 ‘꿈의 신소재’ 그래핀을 복잡한 전사 공정 없이 기판 위에 입힐 수 있는 기술이 개발됐다. 별도의 복잡한 전사공정 없이 구리 같은 금속과 그래핀을 번갈아 쌓을 수 있어 향후 고성능 복합도체의 대량 생산에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 한국전기연구원은 김호섭 박사 연구팀이 코팅 장비인 스퍼터링을 이용해 별도 가열 과정 없이 상온에서 매우 얇은 그래핀부터 여러 겹을 쌓은 그래파이트(흑연) 박막까지 기판 위에 직접 성장시키는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 최근 전기차와 인공지능(AI) 데이터센터 등이 갈수록 더 많은 전기를 사용하면서 같은 크기의 도체라도 전력 손실과 열 발생을 줄일 새로운 소재에 대한 수요가 늘어나고 있다. 그래핀은 탄소 원자들이 육각형 벌집 모양으로 얇게 연결된 막으로, 두께가 원자 하나에 불과할 정도로 매우 얇지만 강철보다 강하고 구리보다 전기가 잘 통하며 열도 잘 전달한다. 그래핀에 구리와 같은 열전도성 금속을 결합하면 완벽한 도체로 활용할 수 있다. 하지만 그래핀을 다른 소재 위에 옮겨 붙여야 하는 전사공정이 까다롭고, 넓은 면적에 구현하거나 금속과 여러 번 번갈아 쌓아야 해 산업 현장에 적용하기 쉽지 않다. 연구팀은 재료를 아주 작은 입자로 떼어내 기판 위에 쌓는 ‘스퍼터링’ 기술에 주목했다. 그런데 탄소를 스퍼터링 기술로 증착하면 원자 배열이 흐트러지고 무질서한 막으로 굳어 고품질 그래핀을 만드는 게 어려웠다. 연구팀은 기존 스퍼터링 방식으로 탄소 원자들이 기판의 미세한 결을 따라 스스로 가지런히 쌓이게 만드는 ‘에피택시’ 성장 기술을 구현해 아주 얇은 그래핀부터 여러 겹이 쌓인 그래파이트(흑연)까지 뜨거운 열 없이 상온에서 곧바로 탄소 박막을 만드는 데 성공했다. 이어 라만분광법, 원자힘현미경(AFM), 투과전자현미경(TEM) 등 여러 첨단장비들을 활용해 신뢰성을 검증했다. 김호섭 박사는 “스퍼터링 방식으로 탄소 원자들이 규칙적으로 정렬된 그래핀계 박막을 만들 수 있음을 실험적으로 확인한 성과”라며 “앞으로 장비를 키우고, 연속 생산방식으로 발전시켜 전력기기용 고성능 복합도체 상용화를 앞당기기 위한 후속 연구를 진행하겠다”고 말했다. 연구결과는 재료 표면 및 코팅 분야 국제 학술지 ‘표면&코팅기술’에 실렸다. 이준기 기자 bongchu@dt.co.kr