상온 그래핀 코팅 성공…초고성능 도체 대량생산 길

전기차와 AI 데이터센터가 늘면서 같은 부피에서 더 적은 전력 손실과 열을 만드는 도체 소재가 기술 경쟁의 새 조건이 되었다. 한국전기연구원은 산업 현장에서 널리 쓰는 박막 제조 기술로 상온에서 다층 그래핀을 만들 수 있다는 답을 내놓았다.

전기연, 상온 스퍼터링으로 다층 그래핀 탄소 박막 만들어

상온 스퍼터링 기반 그래핀 코팅은 재료를 작은 입자로 떼어낸 뒤 기판 위에 쌓아 탄소 박막을 직접 형성하는 공정이다. 한국전기연구원 전력케이블연구센터 김호섭 박사팀이 인천대 김준호 교수팀, 경북대 이세희 교수팀과 함께 개발했다.

연구팀은 그래핀 구조가 무너지는 원인을 먼저 규명한 뒤, 레고 블록을 쌓듯 한두 층의 얇은 그래핀부터 여러 층이 겹친 흑연까지 상온에서 만들어냈다. 전기연은 정돈된 탄소 박막을 기존 스퍼터링 방식으로 직접 만든 것은 세계 최초라고 밝혔다.

전사 공정이 걸림돌이었던 기존 그래핀 산업화

그래핀은 탄소 원자가 벌집 구조로 배열된 얇은 신소재로, 구리와 결합하면 전력 손실과 발열을 낮추는 차세대 도체 재료로 꼽힌다. 문제는 고온 공정이나 별도 전사 과정 없이 금속 위에 균일하게 입히기 어려웠다는 점이었다.

이번 기술은 이미 반도체와 표면 처리 현장에 쓰이는 스퍼터링 설비를 활용한다는 점에서 의미가 크다. 연구 성과를 공정 라인에 옮기기 위해 새 장비를 전부 다시 만들어야 하는 부담을 줄일 수 있기 때문이다.

구리·그래핀 반복 적층으로 복합도체 대량생산 가능

연구팀 설명에 따르면 이 기술은 구리 같은 금속과 그래핀을 원하는 두께만큼 번갈아 쌓을 수 있다. 복잡한 별도 공정을 거치지 않고 초고성능 복합도체를 대량 생산할 수 있는 기반을 만든 셈이다.

전력반도체, 전기차 구동 시스템, AI 데이터센터 배전 구조처럼 같은 공간에서 더 높은 전류를 다뤄야 하는 분야가 수혜 후보다. 다만 논문 성과와 실제 양산 적용 사이에는 공정 균일성, 생산 속도, 비용 검증이라는 단계가 남는다.

Q1 학술지 게재에 국내외 특허 4건 출원

이번 성과는 재료 표면 및 코팅 기술 분야 국제 최상위권(Q1) 학술지인 Surface & Coatings Technology에 실렸다. 연구팀은 국내 특허 3건과 국외 특허 1건을 출원하며 기술 보호와 산업화를 동시에 준비하고 있다.

다층 그래핀이 상온 공정으로 들어오면 소재 자체 성능만큼 제조 유연성이 실무 관건이 된다. 특허와 논문이 함께 확보된 첫 단계가 나왔다는 점에서, 한국 소재 연구가 도체 분야에서 새로운 경로를 만들었다는 평가가 가능하다.

공식 발표 내용은 연합뉴스 보도에서 확인할 수 있다.