구리산화의 원리를 원자 수준에서 세계 최초 규명

[산업일보]
국내 연구진이 단원자층 수준의 초평탄 구리박막을 구현한 뒤, 산화가 일어나지 않는다는 사실을 자체 개발한 방법으로 확인하는 데 성공했다.

과학기술정보통신부는 부산대학교 정세영 교수, 성균관대학교 김영민 교수, 미시시피주립대학교 김성곤 교수 연구팀이 단원자층 수준의 거칠기를 가진 초평탄 구리박막을 이용해 구리의 산화 작동 원리를 세계최초로 규명했다고 17일 밝혔다.

연구팀에 따르면, 기초연구에서 초평탄면을 갖는 박막의 실현은 어려운 주제였다. 고분해능 투과전자현미경 등을 사용해 1년간 공기 중에 노출한 초평탄 구리박막을 관측했다. 그 결과, 일반적으로 구리표면의 자연 산화막은 물론이고 원자 한층 수준의 산화조차도 관찰할 수 없었다.

산소가 구리 내부로 들어가기 위한 에너지 변화를 계산한 결과, 표면 거칠기가 두 원자 층 이상일 경우 구리 내부로의 산소 침투가 쉽게 진행됐다. 이에 비해, 완벽하게 평평한 면 이거나 단원자층 일 때는 산소 침투를 위해 매우 큰 에너지가 필요하기 때문에 상온에서는 산화가 일어나지 않았다.

연구진은 이에 더해 초평탄 박막 표면에 존재하는 산소는 산소가 존재할 수 있는 자리의 50%가 차면 더 이상 다른 산소가 접근하지 못하도록 밀어내 산화를 억제하는 자기-조절 기능이 있음을 밝혀냈다.

한국연구재단은 이 연구가 산업 전반에 사용하는 구리의 산화 원인을 정확히 밝혔다는 점, 경제적으로는 나노회로 등에 사용되는 금을 구리 박막으로 전면 교체할 수 있는 계기를 마련한 점이 중요하다고 평했다.

한편, 과기정통부 개인기초연구(중견연구) 및 집단연구지원(기초연구실) 사업 등의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지인 네이처(Nature)에서 17일 게재했다.