부산대학교와 성균관대학교, 미국 미시시피대학교 공동연구팀이 밝혀낸 '초평탄 단결정 구리박막'의 성장 메커니즘 연구 이미지. (사진=부산대 제공)

부산대학교와 성균관대학교, 미국 미시시피대학교 공동연구팀이 그래핀 등 반도체 산업에서 소재 합성에 쓰일 수 있는 '초평탄 단결정 구리박막'의 성장 메커니즘을 밝혀, 향후 박막 연구에 긍정적인 영향을 줄 것으로 전망된다.

부산대학교 광메카트로닉스공학과 정세영 교수팀은 성균관대학교, 미국 미시시피대학교와의 공동연구를 통해 초평탄 금속성장 기술인 '원자 스퍼터링 에피택시(Atomic Sputtering Epitaxy, ASE)'를 이용해 단결정 구리박막의 성장 초기에 일어나는 핵 형성의 원리와 수조 개의 핵들이 하나로 통합되는 메커니즘을 이론뿐 아니라 실험적으로 규명하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.

전기전도도가 높고 저렴한 '구리'는 초정밀 소재나 회로에 쓰이는 금을 대체할 수 있는 물질이지만, 산화가 일어나 안정성을 흔드는 것이 문제다. 그런데 구리 박막을 단결정으로 성장시켜, 벽돌로 쌓은 담이 한 층 높이를 이루듯 단원자층 수준의 거칠기를 가지는 초평탄 형태를 구현하면 산화가 일어나지 않아 실용성이 높아진다.

연구팀이 자체 개발한 '원자 스퍼터링 에피탁시(ASE)'이 이처럼 벽돌 쌓듯 원자 한 개 한 개를 쌓아 올리는 박막 성장장치다. 이는 지난해 연구팀이 세계적 학술지 '네이처' 3월 17일자에 발표한 논문 내용으로, 구리 산화의 원리를 원자 수준에서 규명한 세계 최초의 연구로 큰 주목을 받았다.

이전 논문이 구리 산화를 막는 단결정 박막의 초평탄화가 어떻게 일어나는지를 규명한 것이라면, 이번 연구는 초평탄화 이전의 초기 3단계인 '핵 형성(nucleations) - 핵 통합(merging) - 층 성장(layer grow)' 과정을 상세히 밝힌 것이다.

이번에 연구팀은 실험적·이론적 연구를 통해, ASE 기법을 사용할 경우 박막이 초기 성장에서 지금까지 알려진 3가지 모드(VW, FM, SK) 중 하나를 따르는 것이 아니라 새로운 모드로 성장함을 밝히고 이 방법에 의해 초평탄면을 갖는 단결정 박막으로 성장됨을 입증했다.

이번 연구의 성과는 박막이 새로운 모드를 거쳐 초평탄면으로 성장한다는 점이다. 기존의 섬 형성 모델(VW), 층 형성 모델(FM), 층에서 섬으로 성장하는 모델(SK)과 달리 섬을 형성한 다음 완전한 층으로 성장하는 새로운 모델을 확인했다.

연구팀은 이론적 계산을 통해 원자들이 하나씩 확산돼 섬 성장이 이뤄지면 방향이 틀어지지 않고 동일 평면으로 모든 핵 형성이 통합될 수 있음을 설명했고, 실험적으로 HRTEM(고분해능 투과전자현미경) 등을 사용해 섬이 성장해 가는 과정을 관측했다.

자체 개발한 ASE 장치를 기반으로 원자 한 층 수준의 거칠기를 갖는 '초평탄 단결정 구리박막'을 2인치 이상의 대면적으로 성장시킬 수 있는 이론적 근거와 실험적 증거를 제시함으로써 이번 연구가 박막 산업 발전에 미칠 영향과 시사점을 가늠해 볼 수 있다.

한편, 금속박막 증착기술은 현대 산업에 없어서는 안 될 필수적 소재 개발 방법이다. 산업계에서는 대면적 성장을 위해 물리적 기상 증착법의 하나인 '스퍼터링법'을 많이 활용하고 있지만, 스퍼터링법으로 성장된 박막은 방향성이 없고 아주 작은 낱알경계가 많이 형성돼 전기전도도를 나쁘게 하고 신호 전달에도 지장을 준다. 표면이 나노미터 수준으로 굴곡져 있어 나노 수준의 정교한 응용에는 사용할 수가 없었다.

이번 연구를 통해 스퍼터링법을 사용하면서도 대면적 단결정은 물론이고 표면을 초평탄면으로 성장시킬 수 있는 초기 성장 조건들이 모두 밝혀짐에 따라 향후 금속 박막 분야의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

박막의 초기 성장 기원을 밝힌 연구팀의 논문은 'Coherent consolidation of trillions of nucleations for mono-atom step-level flat surfaces(원자 한 층 수준의 평탄면을 위한 수조 개의 핵형성의 일관된 통합)'이라는 제목으로 세계적인 자연과학 전문 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)' 온라인판에 2월 8일 게재됐다.

이번 연구는 부산대 광메카트로닉스공학과 정세영 교수, 성균관대 물리학과 황정식 교수와 에너지과학과 김영민 교수, 미시시피대학의 물리·천문학과 김성곤 교수가 공동교신저자, 성균관대 하태우 박사와 서유성 박사, 울산대 김튼튼 교수가 공동 제1저자, 부산대 단결정은행연구소 김수재 박사와 이유실 연구원이 공동저자로 수행했으며, 과학기술정보통신부과 한국연구재단의 기초연구실지원사업과 중견연구사업 지원을 받았다.