가열 없이 상온서 그래핀 직접 성장…KERI, 복합도체 제조 새 길 열었다

전기가 잘 통하면서도 가볍고 열에 강한 차세대 '복합도체' 소재를 상온에서, 그것도 하나의 장비로 한 번에 만들 수 있는 기술이 국내 연구진 손에서 나왔다. 한국전기연구원(KERI)은 별도의 가열 공정 없이 상온에서 그래핀부터 다층 그래파이트까지 기판 위에 직접 키워내는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 그래핀은 탄소 원자 한 층 두께로 이뤄진 얇은 막으로, 두께가 극도로 얇으면서도 전기 전도성이 뛰어나 차세대 전력 소재로 주목받아 온 물질이다. 흔히 그래핀을 여러 겹 쌓으면 그래파이트가 되는데, 층수가 늘어날수록 전기적·기계적 특성이 달라지기 때문에 원하는 두께로 정밀하게 쌓아 올리는 기술 자체가 산업적으로 중요하게 다뤄진다.

연구를 이끈 KERI 전력케이블연구센터 김호섭 박사와 남수현 연구원팀은 반도체·디스플레이 제조 등에 두루 쓰이는 산업용 코팅 기술인 '스퍼터링'을 개량해 'K-스퍼터링'이라는 독자 장치를 만들었다. 스퍼터링은 금속이나 탄소 같은 원료에 이온을 충돌시켜 튕겨 나온 입자를 기판 표면에 얇게 입히는 코팅 방식으로, 이미 여러 산업 현장에 보급돼 있는 범용 장비를 기반으로 한다는 점이 특징이다. 연구팀은 이 과정에서 탄소 입자가 어떻게 흐르고 움직이는지를 분석해, 입자가 무질서하게 쌓이면서 원자 배열을 방해하는 원인을 찾아냈다. 이를 바탕으로 기판의 결정 구조를 그대로 따라 탄소 원자가 질서 있게 쌓이도록 하는 '에피택시 성장' 기술을 구현했다. 에피택시 성장이란 밑바탕이 되는 기판의 원자 배열 틀을 따라 그 위에 새로운 물질의 원자가 규칙적으로 줄지어 자라나는 방식을 말한다. 연구진이 조사한 범위에서 기존 스퍼터링 방식으로 이 같은 성장을 구현한 것은 이번이 세계 최초다.

지금까지 고품질 그래핀을 만드는 대표적 방법은 '화학기상증착(CVD)'이었다. 화학 반응으로 그래핀을 따로 합성한 뒤 원하는 소재 표면으로 옮겨 붙이는 '전사' 공정을 거쳐야 했는데, 이 과정에서 면적을 넓히거나 금속과 그래핀을 여러 겹 반복해서 쌓는 데 한계가 있었다. 옮겨 붙이는 과정에서 그래핀이 찢어지거나 주름이 생기는 등 결함이 발생하기 쉬웠고, 공정 단계가 늘어날수록 대면적화나 반복 적층에 드는 시간과 비용도 함께 커지는 구조였다. 반면 이번 기술은 하나의 장비 안에서 구리와 그래핀을 번갈아 쌓을 수 있어 별도의 전사 공정 없이 제조 공정 자체를 단순화할 수 있다는 점이 특징이다. 특히 기존 코팅 장비를 활용한다는 점에서 새로운 설비를 처음부터 갖추지 않고도 적용할 수 있는 여지가 있다는 것도 눈에 띈다.

이 기술은 전기차와 인공지능(AI) 데이터센터처럼 전력 수요가 빠르게 늘어나는 분야에서 전력 손실과 발열을 줄이는 차세대 복합도체 제조 기술로 활용될 가능성이 있다는 점에서 주목된다. 복합도체는 서로 다른 두 가지 이상의 소재를 겹쳐 각각의 장점을 살린 전선·소재를 뜻한다. 전력 수요가 늘어날수록 도체에 흐르는 전류량도 커지는데, 이 과정에서 발생하는 전력 손실과 발열을 줄이려면 전기 전도성이 높으면서도 열을 잘 견디는 소재가 필요하다. 구리와 그래핀을 반복해 쌓은 복합도체가 상용화되면 이런 수요에 대응할 수 있는 소재 선택지가 넓어질 수 있다. 연구팀은 인천대 김준호 교수팀, 경북대 이세희 교수팀과 함께 라만분광법과 전자현미경 등의 분석 기법으로 박막의 구조와 특성을 교차 검증해 결과의 신뢰성을 높였다.

김호섭 박사는 앞으로 장비를 대형화하고 연속 생산 방식으로 발전시켜, 구리와 그래핀을 반복해 쌓은 전력기기용 고성능 복합도체의 상용화를 추진하겠다고 밝혔다. 상온 공정인 만큼 별도의 가열·냉각 단계에 드는 에너지와 시간을 아낄 수 있고, 기존 코팅 장비를 바탕으로 한다는 점에서 장비 대형화와 연속 생산으로 이어지는 다음 단계도 비교적 수월하게 검토할 수 있을 것으로 보인다. 이번 연구 성과는 국제학술지 '서피스 코팅스 테크놀로지(Surface Coatings Technology)'에 게재됐으며, 국내 특허 3건과 국외 특허 1건이 출원됐다.

자료: 한국전기연구원, 인천대학교, 경북대학교