스퍼터링으로 그래핀 만든다…KERI, 상온 직접 성장 공정 개발

국내 연구진이 고온 처리와 전사 공정 없이 기판 위에 그래핀계 탄소 박막을 직접 만드는 방법을 찾았다. 기존 반도체·디스플레이 분야에서 쓰이던 스퍼터링 장비를 탄소 소재 성장용으로 재설계한 결과다.

한국전기연구원(KERI) 전력케이블연구센터 김호섭 박사·남수현 연구원 연구팀은 직류(DC) 방식의 자체 개발 장치 ‘K-sputtering’을 이용해 상온에서 한두 원자층 수준의 그래핀부터 여러 층이 쌓인 그래파이트(흑연) 박막까지 형성하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.


그래핀은 탄소 원자가 육각형 격자 구조로 배열된 초박막 탄소 소재다. 전기적·열적 특성이 우수해 구리 등 금속 도체와 결합할 경우 전력기기의 손실과 발열을 낮추는 소재로 주목받고 있다.

문제는 제조 방식이었다. 화학기상증착(CVD) 방식은 비교적 품질이 높은 그래핀을 만들 수 있지만, 고온 공정이 필요하고 완성된 박막을 다른 기판으로 옮기는 전사 과정을 거쳐야 했다. 대면적 생산이나 금속과의 반복 적층에는 제약이 따랐다.

스퍼터링은 표적 재료를 이온 충돌 등으로 떼어내 기판에 쌓는 방식이다. 장비 활용성이 높지만, 탄소를 증착하면 원자가 규칙적인 격자 구조를 이루지 못하고 비정질 상태로 쌓이기 쉬웠다.



연구팀은 탄소 입자가 기판에 도달한 뒤 어떤 조건에서 배열되는지를 분석했다. 이를 바탕으로 기판의 결정 구조를 기준으로 탄소 원자가 정렬되며 자라나는 에피택시(Epitaxy) 성장 조건을 확보했다.

그 결과 가열 장치를 따로 두지 않은 상태에서도 그래핀과 다층 그래파이트 박막을 기판 위에 직접 형성할 수 있었다. 연구진은 기존 스퍼터링 방식으로 이런 정렬된 탄소 박막 성장을 구현한 사례는 자신들이 확인한 범위에서 처음이라고 설명했다.

연구 결과의 신뢰성을 높이기 위해 인천대 김준호 교수팀과 경북대 이세희 교수팀이 분석에 참여했다. 라만분광법, 원자힘현미경(AFM), 투과전자현미경(TEM), 결정 방향 분석(EBSD) 등을 활용해 박막의 결정 구조와 표면 특성을 교차 확인했다.

새로 개발한 공정의 차별점은 그래핀을 따로 만든 뒤 옮기는 과정을 줄일 수 있다는 데 있다. 동일한 장비 안에서 금속 박막과 탄소 박막을 번갈아 증착할 수 있어, 구리와 그래핀을 반복해 쌓는 복합도체 제조 공정의 기반으로 활용될 수 있다는 설명이다.

김호섭 박사는 “스퍼터링 방식으로도 탄소 원자가 규칙적으로 배열된 그래핀계 박막을 만들 수 있다는 가능성을 실험적으로 확인했다”며 “장비를 대형화하고 연속 생산 방식을 발전시켜 전력기기용 복합도체 상용화를 추진하겠다”고 말했다.

관련 성과는 재료 표면·코팅 분야 국제학술지 ‘Surface & Coatings Technology’에 실렸다. 연구팀은 해당 기술에 대해 국내 특허 3건과 국외 특허 1건을 출원했다.