[더테크 이지영 기자]  한국전기연구원(KERI)이 별도의 가열 과정 없이 상온에서 그래핀을 기판 위에 직접 성장시키는 기술을 개발했다. 기존 산업용 스퍼터링 장비를 활용하면서도 원자가 규칙적으로 배열되는 ‘에피택시 성장’을 구현한 것이 핵심이다.

KERI 전력케이블연구센터 김호섭 박사팀은 직류(DC) 기반의 독자적인 ‘K-sputtering’ 장치와 공정을 개발해 한두 겹의 얇은 그래핀부터 여러 층이 쌓인 그래파이트 박막까지 상온에서 직접 성장시키는 데 성공했다고 23일 밝혔다.

그래핀은 높은 전기적 특성을 갖춰 구리와 결합할 경우 전력 손실과 발열을 줄이는 차세대 복합도체 소재로 주목받고 있다. 특히 전기차와 AI 데이터센터 등에서 전력 사용량이 늘면서 고성능 도체에 대한 필요성도 커지고 있다.

기존 화학기상증착(CVD) 방식은 고품질 그래핀을 제조할 수 있지만 다른 소재 위로 옮기는 전사 공정이 필요해 대면적화나 금속과의 반복 적층에 한계가 있었다.

연구팀은 반도체와 디스플레이 산업에서 널리 사용하는 스퍼터링 기술을 활용했다. 탄소 입자의 흐름과 거동을 분석해 그래핀 구조 형성을 방해하는 원인을 찾고, 기판 위에서 탄소 원자가 규칙적으로 배열되도록 공정 조건을 제어했다.

그 결과 기판의 결정 구조를 따라 탄소 원자가 정렬되는 에피택시 성장을 구현했다. 연구진이 조사한 범위에서 기존 스퍼터링 방식으로 이처럼 정돈된 그래핀계 탄소 박막을 상온에서 직접 성장시킨 것은 세계 최초다.

이번 기술은 복잡한 전사 공정 없이 하나의 장비에서 구리와 그래핀을 원하는 만큼 번갈아 적층할 수 있다는 점에서도 의미가 있다. 향후 전력기기용 고성능 복합도체의 연속·대량 생산 기술로 확장할 수 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

연구에는 인천대 김준호 교수팀과 경북대 이세희 교수팀도 참여해 라만분광법, 원자힘현미경, 투과전자현미경 등으로 박막 구조와 특성을 교차 검증했다.

김호섭 KERI 박사는 “앞으로 장비를 키우고 연속 생산방식으로 발전시켜 구리와 그래핀을 번갈아 쌓은 전력기기용 고성능 복합도체 상용화를 이끌겠다”고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘Surface & Coatings Technology’에 게재됐으며, 연구팀은 국내 특허 3건과 국외 특허 1건을 출원했다.