과학기술정보통신부) 구리산화의 원리를 원자 수준에서 세계 최초 규명 ...[2022-08-07]

 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 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.

□ 이번 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.

<참고자료> : 1. 논문 정보          2. 연구이야기          3. 용어설명

             4. 그림설명            5. 연구자 이력사항

  ○ 원자들의 세계에서 평평하다고 하는 표현은 어느 정도의 평평함을 의미할까? 라는 질문에서 본 연구는 시작되었다. 1 nm 의 표면 거칠기도 세계적으로 한번도 구현된 바가 없는 매우 평평한 면이지만 이것도 원자 4층의 거칠기를 가지며 이는 원자 입장에서는 매우 거친 면이 된다. 그래서 원자 1층의 거칠기에 도전하게 된 것이 이 연구의 동기라고 할 수 있다.

  ○ 구리의 산화 문제를 해결하기 위해서 단원자층 수준의 표면 거칠기를 가지는 대면적 구리박막을 성장시켰다. “나노결정체 구리 박막은 결코 평탄면이 될 수 없다.”는 제목의 논문이 2017년 Science에 발표될 정도로 박막에서 구리의 초평탄면 실현은 어려운 주제였다. 연구진은 원자 스퍼터링 에피탁시 (atomic sputtering epitaxy:ASE) 방법을 사용하여 원자 한층 수준의 초평탄면을 갖는 박막을 성장하는데 성공하였다. ASE 방법은 기존의 RF 박막성장장치를 순수 자체기술로 개조하여 초평탄 박막을 대면적으로 성장시킬 수 있으면서도 성장속도가 빠르고 장비제조가격이 매우 경제적이어서 향후 금속 박막 분야에서는 MBE, PLD 나 ALD 등의 고가 장비를 대체할 수 있을 것으로 보인다.

  ○ 초평탄 구리박막은 공기 중에 노출 후 1년이 경과하여도 표면에 원자 한층 수준의 산화조차도 관찰되지 않았다. 일반적으로 구리표면에서 관찰되는 산화물인 Cu2O와 CuO가 전혀 존재하지 않음을 확인하였다.

  ○ 제1원리 계산을 통하여 산소가 구리 내부로 들어가기 위한 에너지 변화를 계산한 결과, 표면 거칠기가 두원자층 이상 일 경우 구리 내부로의 산소의 침투가 발열반응으로 쉽게 진행되는 반면 완벽하게 평평한 면과 단원자층 일 때는 산소의 침투를 위해 매우 큰 흡열 반응을 요하기 때문에 상온에서는 산화가 일어나지 않음을 밝혔다. 

  ○ 초평탄면 위에 앉은 산소이온들은 표면의 산소이온 점유도를 스스로 조절하여 50%를 넘지 않도록 하여 스스로 산화를 억제하는 자기-조절 기능이 있음을 밝혔다.

1.  네이처(Nature) 지

  ○ 자연과학 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 49.962)

2. 단결정 (Single crystal)

  ○ 물질 내 원자들이 규칙적으로 배열된 상태를 crystal이라고 부르며 그 물질 전체가 모두 한 방향으로 정렬된 경우 단결정이라 한다. 보통 다이아몬드나 루비처럼 투명한 보석들은 천연 단결정이고 인공적으로 단결정을 만들기도 한다.

3. 다결정(Polycrystalline)

  ○ 물질 내 원자들이 규칙적으로 배열된 영역이 수 마이크로미터 이하의 크기를 가지며 물질 전체의 원자 배열이 한 방향이 아닌 경우. 대부분의 세라믹 물질이나 금속 덩어리 들은 다결정이거나 결정이 아닌 비정질 구조이다.

4. 낟알경계(Grain boundary) 

  ○ 다결정에서 서로 다른 결정이 만나는 경계

5. ASE(Atomic Sputtering Epitaxy) 장치

  ○ ASE 장치는 초평탄 금소단결정 박막을 제조하기 위하여 연구진이 자체 개발한 박막 성장 장치로써 atomic sputtering epitaxy의 약어이다. ASE는 현재 가장 많이 사용되는 RF sputtering 장치를 기본으로 하였기 때문에 매우 경제적이며 쉽게 업그레이드 할 수 있다는 장점이 있다. ASE 장치의 핵심은 전기적, 역학적 진동을 원천적으로 제거하고 타겟에서 증착되는 원자들이 하나 하나 기판위에 순서대로 내려 앉도록 고안한 박막 단결정 성장 장비이며 현재 4인치 이상의 대면적 성장이 가능하고 장비를 개조하면 연속 성장이 가능하다.   

[그림 2] 구리산화에 대한 도식적인 모델

- 초평탄면(원자계단 한층)에서는 산소가 침투하지 못하고 원자계단 두층 이상에서는 산소가 침투할 수 있음을 보여주고 있다.

그림설명 및 그림제공 : 부산대학교 정세영 교수

<김영민, 공동교신저자>

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 성균관대학교 에너지과학과

 ○ 전 화 : 031-299-4059

2. 학력

 ○ 2005 – 2010   한국과학기술원 박사 (재료공학)

 ○ 1999 – 2001  서울대학교 석사 (재료공학)

 ○ 1991 – 1999  강원대학교 학사 (재료공학)

3. 경력사항

 ○ 2010 – 2013  미국 오크리지국립연구소 박사후연구원

 ○ 2002 – 2015  한국기초과학지원연구원 연구원

 ○ 2016 – 현재  성균관대학교 에너지과학과 교수

4. 기타 정보

 ○ 2004          과학기술부 장관 표창

 ○ 2004          기초기술이사회장 표창

 ○ 2014          대전시 이달의 과학기술인상

5. 연구지원 정보

 ○ 2020 ~ 현재    과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(기초연구실)

 ○ 2020 ~ 현재   과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

<김수재, 제1저자>

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 부산대학교 단결정은행연구소

 ○ 전 화 : 051-510-7881

2. 학력

 ○ 1999-2003 박사, 부산대학교 물리학 박사

 ○ 1996-1998 석사, 부산대학교 물리학과 석사

 ○ 1989-1995 학사, 부산대학교 물리학과 학사

3. 경력사항

 ○ 2004 ~ 2005    일본 오카야마대학 박사후연구원 

 ○ 2005 ~ 2006    일본 히로시마대학 박사후연구원 

 ○ 2006 ~ 2012    부산대학교 연구교수, 계약교수 

 ○ 2012 ~ 2016    한국원자력연구원 박사후연구원, 선임연구원 

 ○ 2017 ~ 현재    부산대학교 단결정은행연구소 연구원