KERI 김호섭 박사(왼쪽)와 남수현 연구원이 그래핀이 입혀진 기판을 들고 포즈를 취하고 있다./사진=한국전기연구원


한국전기연구원(KERI) 연구진이 별도의 가열이나 전사 공정 없이 상온에서 기판 위에 그래핀과 그래파이트 박막을 직접 성장시키는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 기존 산업 현장에서 활용되는 스퍼터링 장비를 개조해 고품질 탄소 박막을 직접 형성할 수 있도록 한 것이 핵심이다.

KERI 전력케이블연구센터 김호섭 박사팀은 직류(DC) 기반의 자체 개발 장치인 'K-sputtering'을 이용해 한두 겹 수준의 그래핀부터 여러 겹의 그래파이트까지 기판 위에 직접 성장시키는 공정을 구현했다고 밝혔다.



기존 화학기상증착(CVD) 방식으로 그래핀을 제조할 경우 다른 소재 위에 옮겨 붙이는 전사 공정이 필요하다. 특히 그래핀과 금속을 여러 층으로 쌓는 복합 구조를 만들려면 공정이 복잡해지고 대면적 생산에도 제약이 있었다.

연구팀은 반도체와 디스플레이 등에서 널리 사용되는 스퍼터링 공정에 주목했다. 스퍼터링은 재료를 미세 입자 형태로 떼어내 기판에 증착하는 방식이지만, 탄소를 증착할 경우 원자 배열이 불규칙한 막이 형성되기 쉬워 규칙적인 그래핀 구조를 직접 구현하기 어려웠다.

김 박사팀은 스퍼터링 과정에서 이동하는 탄소 입자의 거동과 기판 표면 조건을 분석해 탄소 원자가 기판의 결정 구조를 따라 배열되도록 공정 조건을 조절했다. 이를 통해 원자들이 일정한 방향성을 갖고 성장하는 '에피택시 성장'을 구현하고 상온에서 그래핀계 탄소 박막을 직접 형성하는 데 성공했다.



'직류(DC) 기반의 K-sputtering'을 이용한 박막 증착 원리 모식도/사진=한국전기연구원


연구팀은 인천대 김준호 교수팀과 경북대 이세희 교수팀과 공동으로 라만분광법, 원자힘현미경(AFM), 투과전자현미경(TEM), 전자후방산란회절(EBSD) 등을 활용해 박막의 구조와 특성을 교차 검증했다. 연구 결과는 재료 표면·코팅 분야 국제학술지인 'Surface & Coatings Technology'에 게재됐다.

이번 기술이 상용화되면 그래핀을 별도로 제작해 옮기는 전사 공정 없이 구리 등 금속과 그래핀을 하나의 공정 장비에서 반복적으로 적층할 수 있는 기반이 마련될 전망이다. KERI는 이를 전력 손실과 발열을 줄이는 고성능 복합도체 제조 기술로 발전시키는 한편, 대면적·연속 생산이 가능한 공정으로 확대한다는 계획이다.

김호섭 박사는 "스퍼터링 방식으로도 탄소 원자를 규칙적으로 정렬시킨 그래핀계 박막을 형성할 수 있다는 가능성을 확인했다"며 "향후 장비 규모 확대와 연속 생산 기술 개발을 통해 구리와 그래핀을 적층한 전력기기용 복합도체 상용화로 이어가겠다"고 말했다.