▲ 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)   © 특허뉴스

구리는 전기 문명에 가장 널리 사용되고 있는 전도체이다. 그러나 산화라는 치명적인 약점이 구리의 사용을 제한하여 초정밀 소재나 높은 신뢰성이 담보되어야 하는 회로에는 구리보다 전기전도성도 떨어지고 가격은 훨씬 비싼 귀금속인 금이 사용되어 왔다. 구리의 산화에 대한 다양한 연구가 수행되었으나 현상학적인 상태를 기술하거나 이론적인 예측만 보고되었다. 기술의 발전과 함께 소재가 소형화되고 고집적화 될수록 충분한 사용시간 확보와 전원부의 소형화가 중요해지기 때문에 전도도가 높은 소재가 필요하기 때문에 구리의 산화 문제 해결은 무엇보다 더 중요한 주제로 부각되고 있다.

이러한 시기, 과학기술정보통신부(이하 ‘과기정통부’)는 부산대학교 정세영 교수, 성균관대학교 김영민 교수, 미시시피주립대학교 김성곤 교수 연구팀이 마치 벽돌로 쌓은 담이 한 층의 높이를 나타내 듯 단원자층 수준의 거칠기를 가진 초평탄 구리박막을 이용, 구리의 산화 작동 원리를 이론과 실험에서 세계최초로 규명했다고 밝혔다.

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

연구진이 자체 개발한 방법은 초평탄 금소단결정 박막을 제조하기 위한 박막 성장 장치인 ASE(atomic sputtering epitaxy)는 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.

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 면이거나 단원자층 일 때는 산소 침투를 위해 매우 큰 에너지가 필요하기 때문에 상온에서는 산화가 일어나지 않음을 밝혔다.

또한 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.

본 연구는 산업전반에 사용되는 구리의 산화 원인을 정확히 밝혔다는 점, 경제적으로는 나노회로 등에 사용되는 금을 구리 박막으로 전면 교체할 수 있는 계기를 마련한 점에서 전도체의 새로운 패러다임을 여는 연구성과로 평가받고 있다.

또한, 원자 한 층 수준의 박막을 성장하는 자체기술을 개발했다는 데에 큰 의의가 있고, 높은 전기 전도도를 가진 구리에 의한 금의 대체는 경제적 이점 및 장비 소형화 등에 기여할 수 있을 것으로 보인다.

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