□ 논문명

○ Flat-surface-assisted and self-regulated oxidation resistance of Cu(111) / Nature

□ 저자

○ 정세영 교수 (교신저자/ 부산대), 김영민 교수 (공동교신저자/ 성균관대), 김성곤 교수 (공동교신저자/ 미시시피주립대), 김수재 박사 (제1저자/ 부산대), 김용인 (공동제1저자/ 성균관대), Bipin Lamichhane (공동제1저자/ 미시시피주립대), 김영훈, 하태우 박사, 이영희 교수(성균관대), 이유실, 조채용 교수, 천미연 박사(부산대), 김종찬 교수, 정후영 교수(울산과학기술원), 김정대(울산대)

□ 내용 요약

○ 구리를 단결정으로 성장하는 기술은 이미 알려져 있으나 구리 박막 (thin film)을 단결정 (single crystal)으로 성장하는 기술은 세계적으로 전무하다. 왜냐하면 박막을 성장할 경우 많은 낟알경계 (grain boundary)등의 결함이나 거친 표면이 형성되기 때문이다. 구리의 산화는 다결정구리 (polycrystalline)에 1 조 (1012)개 이상 되는 낟알경계와 거친 표면에서 무작위로 발생하기 때문에 제어되지 않는다.

  ○ 본 연구의 핵심은 이러한 1조개나 되는 낟알경계 등의 결함을 완벽하게 없애고 박막을 단결정으로 성장함과 동시에 표면을 거칠기 0.2 nm 수준으로 제어함으로써 산화를 원천적으로 차단하였다는 것이다. (기존의 표면 거칠기 최고의 수준은 1.5 nm 수준이었으며 본 연구 결과는 기존 기술의 약 8 분의 1 수준의 정밀한 표면을 구현한 것에 해당한다.) 기존의 연구에서 낟알경계와 거친 표면에서 산화가 잘 발생한다는 사실은 알려져 있었으나 그 원인은 정확히 밝혀져 있지 않았다.

  ○ 원자들의 세계에서 평평하다고 하는 표현은 어느 정도의 평평함을 의미할까? 라는 질문에서 본 연구는 시작되었다. 1 nm 의 표면 거칠기도 세계적으로 한번도 구현된 바가 없는 매우 평평한 면이지만 이것도 원자 4층의 거칠기를 가지며 이는 원자 입장에서는 매우 거친 면이 된다. 그래서 원자 1층의 거칠기에 도전하게 된 것이 이 연구의 동기라고 할 수 있다.

  ○ 구리의 산화 문제를 해결하기 위해서 단원자층 수준의 표면 거칠기를 가지는 대면적 구리박막을 성장시켰다. “나노결정체 구리 박막은 결코 평탄면이 될 수 없다.”는 제목의 논문이 2017년 Science에 발표될 정도로 박막에서 구리의 초평탄면 실현은 어려운 주제였다. 연구진은 원자 스퍼터링 에피탁시 (atomic sputtering epitaxy:ASE) 방법을 사용하여 원자 한층 수준의 초평탄면을 갖는 박막을 성장하는데 성공하였다. ASE 방법은 기존의 RF 박막성장장치를 순수 자체기술로 개조하여 초평탄 박막을 대면적으로 성장시킬 수 있으면서도 성장속도가 빠르고 장비제조가격이 매우 경제적이어서 향후 금속 박막 분야에서는 MBE, PLD 나 ALD 등의 고가 장비를 대체할 수 있을 것으로 보인다.

○ 초평탄 구리박막은 공기 중에 노출 후 1년이 경과하여도 표면에 원자 한층 수준의 산화조차도 관찰되지 않았다. 일반적으로 구리표면에서 관찰되는 산화물인 Cu2O와 CuO가 전혀 존재하지 않음을 확인하였다.

  ○ 제1원리 계산을 통하여 산소가 구리 내부로 들어가기 위한 에너지 변화를 계산한 결과, 표면 거칠기가 두원자층 이상 일 경우 구리 내부로의 산소의 침투가 발열반응으로 쉽게 진행되는 반면 완벽하게 평평한 면과 단원자층 일 때는 산소의 침투를 위해 매우 큰 흡열 반응을 요하기 때문에 상온에서는 산화가 일어나지 않음을 밝혔다.

  ○ 초평탄면 위에 앉은 산소이온들은 표면의 산소이온 점유도를 스스로 조절하여 50%를 넘지 않도록 하여 스스로 산화를 억제하는 자기-조절 기능이 있음을 밝혔다.