[위즈뉴스] 국내 연구진이 구리의 산화 원리를 원자 수준에서 세계 최초로 규명했다.
과학기술정보통신부(장관 임혜숙, 이하 ‘과기정통부’)는 17일, 부산대 정세영 교수와 성균관대 김영민 교수, 미시시피주립대 김성곤 교수로 구성된 공동연구팀이 마치 벽돌로 쌓은 담이 한 층의 높이를 나타내 듯 단원자층 수준의 거칠기를 가진 초평탄 구리박막을 이용하여 구리의 산화 작동 원리를 이론과 실험에서 세계 최초로 규명했다고 밝혔다.
이번 연구성과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제학술지 '네이처'(Nature, IF=49.962) 3월 17일자에 게재됐다.
논문명은 'Flat-surface-assisted and self-regulated oxidation resistance of Cu(111)'이며, 부산대 정세영 교수와 성균관대 김영민 교수, 미시시피주립대 김성곤 교수가 공동 교신저자로, 부산대 김수재 박사와 성균관대 김용인 박사, 미시시피주립대 Bipin Lamichhane 박사가 공동 제1저자로 참여했다.
연구팀의 정세영 교수는 “이번 연구성과는 구리 산화의 기원을 원자수준에서 규명한 세계 최초 사례”라며 “변하지 않는 구리의 제조 가능성을 열었다”고 말했다.
이어 정 교수는 "구리의 전기전도도는 금보다 약 40% 우수하고 추가적으로 초평탄면을 갖는 단결정 구리 박막이 되면 일반 구리의 전도도보다 15 % 이상 더 높일 수 있기 때문에 소비전력 및 에너지 절감, 사용시간 연장, 장비의 소형화 등에 있어 그 경제적 부가가치는 엄청날 것"이라고 말했다.
기존 연구에서 초평탄면을 갖는 박막의 실현은 어려운 주제였으나 연구팀은 자체 개발한 방법으로 단원자층 수준의 초평탄 구리박막을 구현하여 산화가 일어나지 않음을 확인하였다.
이는 초평탄 금소단결정 박막을 제조하기 위하여 연구팀이 자체 개발한 박막 성장 장치로 ASE(atomic sputtering epitaxy)라고 한다. 기존 박막 성장장치를 순수 자체기술로 개조하여 초평탄 박막을 대면적으로 성장시킬 수 있으면서도, 장비 가격이 매우 경제적이어서 향후 고가의 박막성장 장비를 대체할 수 있을 것으로 보인다.
연구팀이 고분해능 투과전자현미경 등을 사용하여 1년간 공기 중에 노출된 초평탄 구리박막을 관측한 결과, 일반적으로 구리표면에서 관찰되는 자연 산화막은 물론이고 원자 한층 수준의 산화조차도 관찰되지 않았다.
또한, 연구팀이 산소가 구리 내부로 들어가기 위한 에너지 변화를 계산한 결과, 표면 거칠기가 두 원자 층 이상일 경우 구리 내부로의 산소 침투가 쉽게 진행되는 반면, 완벽하게 평평한 면 이거나 단원자층 일 때는 산소 침투를 위해 매우 큰 에너지가 필요하기 때문에 상온에서는 산화가 일어나지 않음을 밝혔다.
이에 더하여 초평탄 박막 표면에 존재하는 산소는 산소가 존재할 수 있는 자리의 50%가 차면 더 이상 다른 산소가 접근하지 못하도록 밀어내어 산화를 억제하는 자기-조절 기능이 있음을 밝혔다.
[그림설명] 표면 거칠기에 따른 산소 침투 에너지의 변화 및 투과전자현미경 표면 분석
연구팀은 "이번 연구는 산업전반에 사용되는 구리의 산화 원인을 정확히 밝혔다는 점과 경제적으로는 나노회로 등에 사용되는 금을 구리 박막으로 전면 교체할 수 있는 계기를 마련한 점이 중요하다"며 "또한, 원자 한 층 수준의 박막을 성장하는 자체기술을 개발하였다는 데에 큰 의의가 있으며, 높은 전기 전도도를 가진 구리에 의한 금의 대체는 경제적 이점 및 장비 소형화 등에 기여할 수 있을 것"이라고 밝혔다.
이번 연구는 과기정통부 개인기초연구(중견연구) 및 집단연구지원(기초연구실) 사업 등의 지원으로 수행됐다.
