과학기술정보통신부(장관 임혜숙, 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.

단원자층 수준의 거칠기는 벽돌로 담을 쌓듯이 박막은 원자를 하나씩 규칙적으로 쌓아 만들어지는데, 완성된 박막 표면에 들쑥날쑥한 높이를 표면거칠기라고 한다.

과기정통부 개인기초연구(중견연구) 및 집단연구지원(기초연구실) 사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지인 네이처(Nature)에 3월 17일 게재됐다.

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

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 단원자층일 때는 산소 침투를 위해 매우 큰 에너지가 필요하기 때문에 상온에서는 산화가 일어나지 않음을 밝혔다.

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.

또한, 원자 한 층 수준의 박막을 성장하는 자체기술을 개발했다는 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.