- 산소진입 경로의 규명 및 산소가 스스로 산화를 막는 박막기술 개발, 네이처지 게재 -
과학기술정보통신부(과기정통부’)는 정세영 교수(부산대학교)·김영민 교수(성균관대학교)·김성곤 교수(미시시피주립대학교) 연구팀이 마치 벽돌로 쌓은 담이 한 층의 높이를 나타내 듯 단원자층 수준의 거칠기*를 가진 초평탄 구리박막을 이용하여 구리의 산화 작동 원리를 이론과 실험에서 세계최초로 규명했다고 밝혔다.
* 단원자층 수준의 거칠기: 벽돌로 담을 쌓듯이 박막은 원자를 하나씩 규칙적으로 쌓아 만들어지는데, 완성된 박막 표면에 들쑥날쑥한 높이를 표면거칠기라고 함
과기정통부 개인기초연구(중견연구) 및 집단연구지원(기초연구실) 사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지인 네이처(Nature)에 03월 17일 게재되었다.
기존 연구에서 초평탄면을 갖는 박막의 실현은 어려운 주제였으나 연구진은 자체 개발한 방법*으로 단원자층 수준의 초평탄 구리박막을 구현하여 산화가 일어나지 않음을 확인하였다.
* 초평탄 금소단결정 박막을 제조하기 위하여 연구진이 자체 개발한 박막 성장 장치로 ASE(atomic sputtering epitaxy)라 함. 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 사용하여 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 면 이거나 단원자층 일 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 개발하였다는 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.
용어 설명
1. 네이처(Nature) 지
○ 자연과학 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 49.962)
2. 단결정 (Single crystal)
○ 물질 내 원자들이 규칙적으로 배열된 상태를 crystal이라고 부르며 그 물질 전체가 모두 한 방향으로 정렬된 경우 단결정이라 한다. 보통 다이아몬드나 루비처럼 투명한 보석들은 천연 단결정이고 인공적으로 단결정을 만들기도 한다.
3. 다결정(Polycrystalline)
○ 물질 내 원자들이 규칙적으로 배열된 영역이 수 마이크로미터 이하의 크기를 가지며 물질 전체의 원자 배열이 한 방향이 아닌 경우. 대부분의 세라믹 물질이나 금속 덩어리 들은 다결정이거나 결정이 아닌 비정질 구조이다.
4. 낟알경계(Grain boundary)
○ 다결정에서 서로 다른 결정이 만나는 경계
5. ASE(Atomic Sputtering Epitaxy) 장치
○ ASE 장치는 초평탄 금소단결정 박막을 제조하기 위하여 연구진이 자체 개발한 박막 성장 장치로써 atomic sputtering epitaxy의 약어이다. ASE는 현재 가장 많이 사용되는 RF sputtering 장치를 기본으로 하였기 때문에 매우 경제적이며 쉽게 업그레이드 할 수 있다는 장점이 있다. ASE 장치의 핵심은 전기적, 역학적 진동을 원천적으로 제거하고 타겟에서 증착되는 원자들이 하나 하나 기판위에 순서대로 내려 앉도록 고안한 박막 단결정 성장 장비이며 현재 4인치 이상의 대면적 성장이 가능하고 장비를 개조하면 연속 성장이 가능하다.
[그림 1] 표면 거칠기에 따른 산소 침투 에너지의 변화 및 투과전자현미경 표면 분석
- 표면 원자계단의 개수에 따라 산소가 구리속으로 침투하는데 필요한 에너지가 달라진다.
- 그림 A는 표면 원자계단이 한 층인 경우 산소침투는 흡열 반응이고 두층 이상인 경우 발열 반응을 함을 계산을 통해서 보여준다.
- 그림 B는 산소가 평탄한 구리 표면을 50% 이상 점유하면 스스로 산소를 밀어내는 자기-조절 기능을 가짐을 보이고,
- 그림 C 에서는 실제로 초평탄 면에는 산화면이 존재하지 않고 원자계단이 두 층 이상인 경우 산화층이 존재함을 실험적으로 보여준다.
<그림설명 및 그림제공 : 부산대학교 정세영 교수>
[그림 2] 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>
