부산대 정세영 교수 공동연구팀, 구리산화의 원리 원자 수준에서 세계 최초 규명

- 산소진입 경로의 규명 및 산소가 스스로 산화를 막는 박막기술 개발, 네이처지 게재 -

□ 과학기술정보통신부(장관 임혜숙, 이하 ‘과기정통부’)는 정세영 교수(부산대학교)·김영민 교수(성균관대학교)·김성곤 교수(미시시피주립대학교) 연구팀이 마치 벽돌로 쌓은 담이 한 층의 높이를 나타내 듯 단원자층 수준의 거칠기*를 가진 초평탄 구리박막을 이용하여 구리의 산화 작동 원리를 이론과 실험에서 세계최초로 규명했다고 밝혔다.

     * 단원자층 수준의 거칠기: 벽돌로 담을 쌓듯이 박막은 원자를 하나씩 규칙적으로 쌓아 만들어지는데, 완성된 박막 표면에 들쑥날쑥한 높이를 표면거칠기라고 함.

 ㅇ 과기정통부 개인기초연구(중견연구) 및 집단연구지원(기초연구실) 사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지인 네이처(Nature)에 03월 17일 게재되었다.

□ 기존 연구에서 초평탄면을 갖는 박막의 실현은 어려운 주제였으나 연구진은 자체 개발한 방법*으로 단원자층 수준의 초평탄 구리박막을 구현하여 산화가 일어나지 않음을 확인하였다.

    * 초평탄 금소단결정 박막을 제조하기 위하여 연구진이 자체 개발한 박막 성장 장치로 ASE(atomic sputtering epitaxy)라 함. 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.

 ㅇ 고분해능 투과전자현미경 등을 사용하여 1년간 공기 중에 노출된 초평탄 구리박막을 관측한 결과, 일반적으로 구리표면에서 관찰되는 자연 산화막은 물론이고 원자 한층 수준의 산화조차도 관찰되지 않았다.

 ㅇ 또한, 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.

 ㅇ 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.

<구리산화에 대한 도식적인 모델(왼쪽)과 표면 거칠기에 따른 산소 침투 에너지의 변화 및 투과전자현미경 표면 분석>

□ 본 연구는 산업전반에 사용되는 구리의 산화 원인을 정확히 밝혔다는 점, 경제적으로는 나노회로 등에 사용되는 금을 구리 박막으로 전면 교체할 수 있는 계기를 마련한 점이 중요하다고 할 수 있다.

 ㅇ 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 것이다. 

□ 정세영 교수는 “이번 연구성과는 구리 산화의 기원을 원자수준에서 규명한 세계 최초 사례”라며 “변하지 않는 구리의 제조 가능성을 열었다”라고 의미를 밝혔다.

* 사진: 왼쪽부터 교신저자 부산대 정세영 광메카트로닉스공학과 교수, 제1저자 김수재 단결정은행연구소 연구원

* 연구이미지 문의: 부산대 홍보실 051-510-1286