차세대 복합도체 제조 원천기술을 개발한 한국전기연구원 전력케이블연구센터 김호석 박사(왼쪽), 남수현 연구원이 그래핀을 입힌 기판을 들어 보였다.그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 한 겹 배열된 초박형 소재로 전기와 열을 잘 전달하는 특성이 있다. 이 장점을 구리와 잘 결합하면 기존 구리를 보완하는 차세대 도체가 될 수 있다.
다만 지금까지는 넓은 면적에 품질이 일정한 그래핀을 만들고 이를 금속과 여러 번 번갈아 쌓는 과정이 복잡해 산업 현장에 적용하기 쉽지 않았다.
연구팀은 반도체나 디스플레이 산업에서 널리 쓰이는 '스퍼터링(증착)' 기술에 주목했다. 스퍼터링은 재료를 아주 작은 입자로 떼어내 기판 위에 쌓는 방식이라 편리하지만 탄소를 이 방식으로 증착할 경우 원자 배열이 흐트러지며 무질서한 막으로 굳어버리기 쉽다.
수많은 실험과 축적된 경험을 바탕으로 연구팀은 스퍼터링 과정에서 눈에 보이지 않게 이동하는 탄소 입자의 흐름과 거동을 치밀하게 분석했다. 이를 통해 그래핀 구조 형성을 방해하는 근본 원인을 찾아내고 기판 위에서 탄소 입자가 배열되는 조건을 세밀하게 조절한 '직류(DC) 기반 K-스퍼터링' 장치와 공정을 독자 개발했다.
핵심은 탄소를 표면에 마구잡이로 흩뿌리는 것이 아니라 레고 블록을 정교하게 조립하듯 원자를 차곡차곡 쌓아 올리는 데 있다. 바닥 기판의 미세한 결을 따라 탄소 원자들이 스스로 가지런히 줄을 서며 쌓이게 만드는 '에피택시(Epitaxy) 성장' 기술을 구현한 것이다.
이를 통해 한두 겹의 아주 얇은 그래핀부터 여러 겹이 쌓인 그래파이트까지 뜨거운 열 없이 상온에서 곧바로 성장시키는 데 성공했다. 기존 스퍼터링 방식으로 이렇게 정돈된 형태의 탄소 박막을 직접 만들어 낸 것은 연구진이 조사한 범위 내에서 세계 최초 성과다.
직류 기반 K-스퍼터링을 이용한 박막 증착 원리 모식도.연구팀은 성과의 신뢰성을 높이기 위해 인천대 김준호 교수팀, 경북대 이세희 교수팀과 협력했다. 각 기관이 보유한 라만분광법, 원자힘현미경(AFM), 투과전자현미경(TEM), 결정 방향 분석(EBSD) 등 첨단 장비를 동원해 박막 구조와 특성을 여러 차례 교차 검증해 기술의 객관성을 입증했다.
이 기술을 활용하면 별도의 복잡한 전사 공정 없이 하나의 장비 안에서 구리 같은 금속과 그래핀을 원하는 만큼 번갈아 쌓을 수 있어 향후 초고성능 복합도체를 대량 생산하기 위한 핵심 제조 원천기술의 기반을 확고히 다지게 됐다.
김호섭 박사는 “많은 시행착오 끝에 스퍼터링 방식으로도 탄소 원자들이 규칙적으로 정렬된 그래핀계 박막을 만들 수 있다는 가능성을 실험적으로 확인했다”면서 “앞으로 장비 크기를 키우고 연속 생산방식으로 발전시켜 구리와 그래핀을 번갈아 쌓은 전력기기용 고성능 복합도체 상용화를 이끌고 우리나라의 소부장 경쟁력을 높이겠다”고 밝혔다.