'표면 거칠기에 따른 산소 침투 에너지의 변화 및 투과전자현미경 표면 분석' 그림 자료. (사진=부산대 제공)

과학기술정보통신부(이하 과기정통부)는 정세영 교수(부산대학교)·김영민 교수(성균관대학교)·김성곤 교수(미시시피주립대학교) 연구팀이 마치 벽돌로 쌓은 담이 한 층의 높이를 나타내 듯 단원자층 수준의 거칠기를 가진 초평탄 구리박막을 이용해 구리의 산화 작동 원리를 이론과 실험에서 세계최초로 규명했다고 17일 밝혔다.

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

기존 연구에서 초평탄면을 갖는 박막의 실현은 어려운 주제였으나 연구진은 자체 개발한 방법으로 단원자층 수준의 초평탄 구리박막을 구현하여 산화가 일어나지 않음을 확인했다.

초평탄은 금소단결정 박막을 제조하기 위해 연구진이 자체 개발한 박막 성장 장치로 ASE(atomic sputtering epitaxy)라 한다.

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

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.

연구진은 초평탄 박막 표면에 존재하는 산소는 산소가 존재할 수 있는 자리의 50%가 차면 다른 산소가 접근하지 못하도록 밀어내 산화를 억제하는 자기조절 기능도 있음을 밝혔다.

구리의 산화 원인을 정확히 밝혀 나노회로 등에 사용되는 금을 구리 박막으로 교체할 수 있는 계기를 마련했다고 평가했다.

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