전기硏 김호섭 박사팀 '차세대 복합도체' 원천기술 확보

[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국전기연구원(KERI)은 전력케이블연구센터 김호섭 박사·남수현 연구원 팀이 산업 현장에서 널리 쓰이는 코팅 장비 '스퍼터링(Sputtering)'을 개조해 별도의 가열 과정 없이 상온에서 한두 겹의 매우 얇은 '그래핀'부터 여러 겹이 쌓인 '그래파이트' 박막까지 기판 위에 성장시키는 '차세대 복합도체' 제조 원천기술 확보에 성공했다고 27일 밝혔다.

'그래핀(Graphene)'은 탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 얇게 연결된 막으로 매우 얇지만 강철보다 강하고 구리보다 전기가 훨씬 잘 통하며 열도 잘 전달해 '꿈의 신소재'이며, '그래파이트(Graphite, 흑연)'는 얇은 그래핀이 여러 겹 차곡차곡 층을 이루며 쌓여 있는 구조를 말한다.

최근 전기차, 인공지능(AI) 데이터센터 등 각종 전력기기가 더 많은 전기를 사용하면서 같은 크기의 도체라도 전력 손실과 열 발생을 줄일 새로운 소재가 필요해졌다.

이때 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 얇은 신소재인 그래핀의 장점을 구리와 결합하면 완벽한 차세대 도체가 될 수 있지만 기존 화학기상증착(CVD) 방식으로 만든 고품질 그래핀은 다른 소재 위로 옮겨 붙여야 하는 까다로운 전사 공정이 필요해 넓은 면적으로 구현하거나 금속과 여러 번 번갈아 쌓아야 하기 때문에 산업 현장 적용이 쉽지 않았다.

이에 김호섭 박사팀은 반도체, 디스플레이 등 기존 산업에서 널리 쓰이는 '스퍼터링' 기술에 주목했다.

스퍼터링은 재료를 아주 작은 입자로 떼어내 기판 위에 쌓는 방식이라 매우 편리하지만, 탄소를 같은 방식으로 증착할 경우 원자 배열이 흐트러지며 무질서한 막으로 굳어버리기 쉬웠다.

김 박사팀은 수많은 실험과 축적된 경험을 바탕으로 스퍼터링 과정에서 눈에 보이지 않게 이동하는 탄소 입자들의 흐름과 거동을 치밀하게 분석해 그래핀 구조 형성을 방해하는 근본 원인을 찾아내고, 기판 위에서 탄소 입자가 배열되는 조건을 세밀하게 조절한 '직류(DC) 기반의 K-sputtering 장치 및 공정' 독자 개발에 성공했다.

연구 성과의 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.

쉽게 말해서 밑그림에 맞춰 레고 블록을 정교하게 조립하듯 원자를 차곡차곡 쌓아 올린 것이다.

이를 통해 한두 겹의 아주 얇은 그래핀부터 여러 겹이 쌓인 '그래파이트'까지 뜨거운 열 없이 상온에서 곧바로 성장시키는 데 성공한 것이다.

연구팀은 연구 성과 신뢰성을 높이기 위해 인천대 김준호 교수팀, 경북대 이세희 교수팀과 협력에 나섰고, 각 기관이 보유한 라만분광법, 원자힘현미경(AFM), 투과전자현미경(TEM), 결정 방향 분석(EBSD) 등 첨단 장비를 동원해 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 열었다.

특히, 개발한 기술을 활용하면 별도의 복잡한 전사 공정 없이 하나의 장비 안에서 구리 같은 금속과 그래핀을 원하는 만큼 번갈아 쌓을 수 있어 '초고성능 복합도체' 대량 생산의 원천기술 기반을 확고히 다지게 됐다는 점에서 주목받고 있다.

김호섭 박사는 "많은 시행착오 끝에 스퍼터링 방식으로도 탄소 원자들이 규칙적으로 정렬된 그래핀계 박막을 만들 수 있다는 가능성을 실험적으로 확인했다"면서 "앞으로 장비를 키우고 연속 생산방식으로 발전시켜 구리와 그래핀을 번갈아 쌓은 전력기기용 '고성능 복합도체' 상용화를 이끌어 우리나라 소재·부품·장비 산업 경쟁력을 높이는데 기여하겠다"고 포부를 밝혔다.

이번 연구는 KERI 내부 기본사업 '그래핀·금속 박막 반복 구조의 각형 도체 개발' 과제를 통해 이뤄졌으며, 연구 성과는 재료 표면 및 코팅 기술 분야 국제 최상위급(Q1) 학술지 'Surface & Coatings Technology(IF 6.9)'에 최근 게재됐다. 3건의 국내 특허와 1건의 국외 특허 출원도 마쳤다.


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