구리 산화의 작동 원리에 대한 연구성과 브리핑

반갑습니다. 부산대학교 나노과학기술대학의 정세영 교수입니다.

제가 오늘 말씀드릴 내용은 이번에 저희가 구리의 산화에 대한 원인을 규명하는 일을 최초로 한 성과가 네이처지에 발표가 되게 됩니다. 발표될 날짜는 3월 17일 2시 자로 발표가 되게 되겠습니다.

구체적으로 내용을 보면 저희 연구실에서 현재 하고 있는 일은 물질을 평평하게 만들고 그리고 기판을 이용해서 단결정을 만드는 기술 그리고 산화를 제어하는 기술인데, 오늘은 특히 여기 산화를 제어하는 원리, 그리고 완벽하게 어떻게 산화를 차단할 수 있느냐 하는 이유 이런 규명을 한 내용에 대해서 주로 말씀을 드리겠습니다.

먼저, 일반인들이 폴리 물질, 일반 물질과 단결정 물질에 대한 이해도가 그렇게 많지 않기 때문에 간단히 설명을 드리면, 일반 물질들은 이런 영역까지 단결정 영역을 형성하고 있지만, 전체적으로 원자들이 한쪽 방향으로 다 배열되어 있지는 않습니다.

그래서 단결정이 되었다고 하는 것은 원자가 완벽하게 한쪽 방향으로 정렬이 되어서 고체 전체가 하나의 방향성을 가지고 진행을 했다고 볼 수 있습니다.

그래서 이렇게 단결정이 되는 것도 중요하지만 평평한 면을 이룬다고 하는 것이 굉장히 중요한데, 이 결정의 박막 표면에, 박막의 최상위층이 어떻게 되느냐 하는 것을 보는 거죠.

여기서 우리가 일반적으로 길을 다니다 보면 길이 굉장히 언덕도 있고 이렇게 되는데, 고속도로를 깔거나 아스팔트를 하는 것은 평평한 길을 잘 쉽게 달리게 하기 위해서인 것이죠. 그런데 실제로 전자의 입장에서도 보면 전자가 물질 내에서 거친 표면을 다닐 때는 우리 자동차가 산길을 다니는 것에 불편한 것과 똑같은 과정을 겪게 됩니다.

그래서 세계적으로는 일반적으로 물질을 만들었을 때 30㎚~50㎚ 정도의 거칠기를 가지고요. 세계 최고의 거칠기 기록이라고 하면 한 1.5㎚ 정도가 되겠습니다.

실제로 평평한 면과 평평하지 않은 면에서의 차이는 뭐냐 하면, 전자들이 이런 그레인 바운더리가 있는 내부에서 충돌을 하게 되면 ‘scattering’이라고 하는, 산란이 돼서 실제로 반사되고 전자가 아주 직진성 있게 운동하는 이런 과정이 아닙니다. 그런데 평평한 면이 되면 전자가 표면에서도 반사가 되고 그다음에 평평하게 이렇게 진행을 해가기 때문에 물질의 성질이 바뀌어 버립니다.

이것으로부터 얻어낼 수 있는 굉장히 많은 물리적인 성질이 있고요. 산업에서 볼 때는 단결정이 쓰이고 평평한 물질이 쓰이게 되면 물성의 특성이 달라지기 때문에 산업적으로 굉장히 가능성이, 가치가 높아지게 됩니다.

지금 보시면 이 이미지는 약 1㎚ 정도의 거칠기를 나타내는데, 1㎚면 세계에서 world record가 1.5㎚라고 그랬잖아요. 그러니까 1㎚면 굉장히 평평한 면임에도 불구하고 원자의 표면 입장에서, 전자가 보는 입장에서는 거친 거죠.

저희 연구실에서 지금 해온 일은 0.21㎚의 거칠기이기 때문에 표면을 비교해 보시면 1㎚, 1.5㎚도 굉장히 평평한 면인데도 불구하고 0.21㎚와 비교해 보면 거의 비교가 되지 않을 정도로 거칠기에 차이가 있습니다.

그래서 저희가 국내의 기술로 자체 장비를 개발해서 이 정도의 평평한 면을 개발했다는 것은 재료공학에 있어서는 상당히 State of art, 예술과 같은 그런 일이라고 사람들이 평가를 하고 있습니다.

그래서 일반적으로 상업적으로 만들어진 물질은 지금 보시는 이미지와 같이 SEM 이미지나 이런 전자현미경을 사용해서 봤을 때 굉장히 거칠고 또 여러 가지 방향성도 임의의 방향을 가리키고 있고 이렇게 나타나는데, 단결정이 되었을 때 저희 실험실에서 만든 시료들은 완벽하게 한쪽 방향으로 정렬이 되어 있고요. 그리고 실지로 원자 내부에 개입이라든가 defect가 전혀 없습니다. defect가 없다는 것은 결함이 없다는 거죠.

이론적으로는 우리가 결함이 없는 모델을 가지고서 계산을 많이 하고 하지만 실험적으로 결함이 없는 물질을 만든다는 것은 불가능한 일인데, 저희가 한 일은 지금 폴리와 비교해 보면 단결정, 여기가 단결정인데 이것은 컴퓨터 컬러로 나타나는 블루, 00 255와 똑같은 거죠, 구별이 되지 않을 정도로. 그리고 폴리는 굉장히 거친 것과 비교해 보면 차이가 많이 나는 것을 바로 알 수가 있습니다.

SEM으로 굉장히 크게 확대했을 때 이 정도로 결함이 전혀 없어요. 그래서 앞서 보여드렸던 폴리와 비교해 보면 너무 큰 차이가 있죠, 그렇죠? 그래서 이게 외국의 MBE라든가 ALD라든가 이런 장비들이 고급 장비가 많이 있지만 저희가 자체적으로 전 세계 유일하게 이렇게 표면을 평평하게 만드는 기술을 획득했다는 것이 굉장히 큰 업적이라고 볼 수 있습니다.

그래서 표면 거칠기가 0.21 정도가 되고요. 거기에 원자 표면을 HR-TEM이라고 하는 고분해능 투사현미경으로 보게 되면 이 정도로 표면이 원자 한 층으로 끝나 있는 것을 실제로 볼 수 있습니다.

제가 한때 로스앤젤레스에서 하는 학회에 한번 가서 발표를 했는데 0.21㎚라는 것을 보여주니까 거기에 와있던 외국 교수들이 0.21㎚ 거칠기가 얼마나 대단한 것인지 알고 이야기하냐고 해서 제가 이것을 보여드렸더니 더 이상 별 질문을 하지는 않았습니다.

그 정도로 박막을 0.21㎚ 기술로 만드는 것 자체가 어려운데, 그 만들어진 박막을 저희가 한 1년간 관찰을 했어요. 그래서 1년 관찰을 하고 3년이 지나도 산화가 안 되는 겁니다. 그래서 왜 단결정이 되면 산화가 안 될까, 또 표면이 저렇게 평평해지면 산화가 안 될까, 여기 보시면 이미지가 strain을 분석하는 이미지에서도 전혀 Cu2O나 CuO와 같은 산화물로 형성된 게 나타나지 않죠. 그래서 이론적으로 계산을 해 봤더니 원자 한 층, 두 층, 세 층, 네 층 이렇게 구별했을 때 원자 계단이 두 층, 세 층 이상 되는 다층 계단에서는 이게 발열 반응이 되어서 산화가 쉽게 일어납니다.

그런데 한 층 계단이거나 평평한 계단이 되면 여기서와 같이 한 층 계단과 평평한 계단에서는 아예 산화가 일어나기가 어려운, 에너지가 굉장히 많이 필요하다는 것을 알게 되었습니다.

그래서 이런 과정을 비교해 보면 원자 한 층이냐, 두 층이냐는 사실은 큰 차이가 아닌데도 불구하고 한 층과 두 층은 어마어마한 큰 차이를 보인다, 이게 저희가 처음 규명을 한 내용이고요.

또 한 가지가 뭐냐 하면 평평한 면이 되면 구리 표면 위에 산소들이 깔려 있다고 할 때 산소가 50%를 점유하게 되면, 그 이상 되는 부분에 가서는 에너지가 더 추가로 들어서 산소가 오는 것을 막아내 버립니다.

쉽게 이미지로 보여드리면 처음에 산소가 와서 앉을 때는 산소가 들어가서 산화는 되지 않지만 표면에 흡착되어서 붙어 있는 산소가 굉장히 많습니다. 그런데 추가적으로 산소가 오는 것을 밀어내 버려요.

그러니까 평평한 면이 되어야 되는 이유가 두 가지가 있는 거죠. 계단이 하나일 때 들어가지 못하고 또 평평할 때는 추가적으로 오는 산소를 밀어내 버리니까, 그래서 이것을 우리가 ‘self-regulated oxidation resistance’라고 해서 자기 조절을 하는 산화 저항이라고 했는데, 그러면 그게 뭐가 좋으냐?

그 예를 저희가 아직 이제 논문을 투고 예정이라서 미리 말씀드리기가 조금 뭐합니다마는 여기서 산소가 표면에 있는 이런 산소들은 이원화된 산소들이에요. 그래서 박테리아도, 요즘 오미크론과 코로나바이러스가 굉장히 중요한데, 저희 실험에서 이런 코로나바이러스가 오면 이원화된 산소들에 의해서 membrane이 다 깨져 버립니다.

그래서 현재 우리가 엘리베이터나 이런 데 있는 그런 구리박막들은 테스트해 보면 효과가 없어요. 왜냐, Cu2O로 다 바뀌어 버리니까. 그래서 산화가 되지 않고 평평한 면을 이루고 있는 이런 산소여야만 효과가 있고요.

이런 박막을 만드는 과정을 저희가 개발, 자체 개발한 것인데, 일반 폴리와 달리 저희는 단결정으로, 원자 하나하나를 쌓아가기 때문에 완벽하게 원자 하나도 빠진 자리가 없는 이런 구리 박막을 형성했다는 것을 말씀드리고요. 장비도 저희가 다 공개해서 이번 논문에 다 제시를 했습니다. 그리고 전 세계적으로 다른 사람들도 쉽게 할 수 있도록 저희가 공개를 한 내용이고요.

이것은 이전에 나왔던 논문인데, 저희가 산소를 일반 물질에다 의도적으로 산소를 집어넣어서 하면 새까맣게 변해 버려요. 그런데 단결정일 경우에는 산화가 되더라도 색깔이 굉장히 예쁜 색깔을 유지를 합니다. 그런데 이것을 우리가 만들어서 한쪽 시료... 반대쪽을 잘라서 뒤집으면 색깔이 초록색, 노란색, 보라색 이렇게 나와요.

그래서 어느 정도까지 많이 조절할 수 있느냐를 보면, 여기 지금 나와 있는 이 색깔처럼 약 350가지의 색깔을 조절합니다. 이게 구리의 색깔이라고 하면 사람들이 잘 믿을 수 없겠지만 실제로 구리를 우리가 산화를 강제로 시켰을 때도 이런 색깔을 구현할 수 있다는 거죠.

그래서 이번 연구에서는 산화가 안 되는 과정을 밝혔고, 또 예전에는 우리가 산화되는 것까지 완벽하게 제어하는 이런 기술들을 저희가 가지고 있다 하는 것을 말씀드립니다.

그리고 이러한 빨·주·노·초·파·남·보의 색깔뿐 아니라 검은색에서부터 흰색까지 완벽하게 무채색도 저희가 제어를 할 수가 있고요. 그리고 레이저로 로컬한 영역, 굉장히 국부적인 영역까지도 이렇게 통제를 해서 실제로 디바이스를 만드는 것에도, PN-Junction을 만들게 되면 PN-Junction에다 굉장히 로컬한 영역의 P 타입의 반도체를 집어넣는 것과 같은 기술을 구현할 수가 있습니다.

그래서 보통은 우리가 카본은 그래핀도 되고 카본나노튜브도 되고 해서 천의 얼굴을 가지고 있다고 그러는데, 실제로 보신 바와 같이 구리 이런 금속에서도 굉장히 다양한 얼굴을 가지고 있다, 그래서 저는 구리나 금속이 단결정이 되면서 실제로 응용할 수 있는 영역이 굉장히 많다는 것을 저희가 최근에 연구로 밝히고 있습니다.

그래서 오늘 제 발표는 이 정도로 마치고, 질문을 받도록 하겠습니다. 감사합니다.


[질문·답변]
※마이크 미사용으로 확인되지 않는 내용은 별표(***)로 표기하였으니 양해 바랍니다.

<질문> (사회자) 먼저, 온라인으로 들어온 질문 먼저 드리도록 하겠습니다. KBS 기자님 질문입니다. 두 가지 주셨는데요. 단원자층 수준의 초평탄 구리 박막을 구현했다는데, 이런 식으로 구리 박막의 크기를 얼마나 키울 수 있을지 궁금합니다. 그리고 상용화가 가능하려면 초평탄 구리 박막의 제조, 혹은 구현에 있어 경제성이 있어야 하는데, 이 부분은 어떻게 보시는지요?

<답변> 제가 말씀드리면 초평탄 면이라고 하는 것이 원자 한 층 계단이라고 하니까 대부분 원자 한 층에 있는 박막을 만들었지 않을까, 이렇게 생각을 하시는데, 사실은 박막의 두께는 우리가 10㎚, 100㎚, 800㎚ 이렇게 두껍게도 만들 수가 있습니다.

그런데 맨 마지막에 있는 표면, 그 표면의 거칠기가 어떻게 되느냐 하는 것에 관심이 있기 때문에, 그리고 지금 여기 보시는 것과 같이 성장을 했을 때 맨 마지막 표면의 거칠기를 0.2㎚의 거칠기로 만들 수 있다는 뜻이기 때문에 박막의 두께는 임의로 저희가 조절할 수 있습니다.

실제로 세계적으로 가장 얇게까지 단결정으로 만들 수 있는 범위가 한 30㎚였다 그러면 저희는 지금 4㎚까지 단결정으로 만들 수 있고요. 그다음에 4㎚에서부터 더 두껍게 만드는 것은 크게 어렵지 않습니다.

그다음에 상용화에 대한 질문을 하셨는데, 실제로 보통 MBE이라든가 ALD 이런 장비들이 몇 억대의 장비거든요. 그런데 저희가 이번에 개발한 장비는 한 5,000만 원대에서 저희가 내부 개조를 하는 데 한 500만 원만 들이면 개조가 됩니다. 그래서 일반 세계화되어 있는 고급 장비보다 가격은 한 6분의 1, 7분의 1이고요. 그다음에 들어가는 추가적인 경비가 없습니다.

그래서 내부 장비의 내부 배선을 바꾸고 이런 과정에서 장비를 업그레이드한 것이기 때문에 추가적으로 상업적인 효과는 충분히 더 있다고 보아집니다.

<질문> (사회자) KBS 기자님이 추가 질문 주셨는데요. 단결정의 초평탄 구리 제품을 만들 수 있는 기술을 성공했다면 이러한 구리 제품으로 경제·산업적으로 어떤 효과를 얻을 수 있는지, 그리고 해당 제조기술은 산업 현장에서 바로 적용할 수 있는지, 추가적으로 보완해야 할 부분이 있다면 어떤 것이 있는지 설명해 주시면 감사하겠습니다.

<답변> 실제로 저항이, 이 물질이 초평탄 면이 되었을 때 가장 기대되는 효과는 박막의 평면이 평평해지기 때문에 그 접촉 저항을 굉장히 줄일 수가 있습니다. 그래서 접촉 저항이 줄어들고 아니면 접촉 저항이 크고 하는 것은 산업계에서 굉장히 초미의 관심사라고 제가 알고 있는데, 그런 문제점을 해결을 하게 되면 산업계에서도 굉장히 큰 임팩트를 얻을 수 있을 거라고 보는데, 문제는 이런 것들이 실제로 상용화가 되기 위해서는 업체에서 라인을 바꾼다거나 하는 이런 추가적인 과정이 필요할 것 같기는 합니다.

그렇지만 실제로 쓰고 있는 물질이 구리이기 때문에 우리가 골드를 쓰고 아주 비싼 재료를 쓰는 것에 비해서는 효과가 굉장히 크고요. 소재 자체가 싸다는 것뿐이 아니라 가격이 구리가 훨씬 더 싸고 거기다가 저항도 더 낮습니다. 보통은 금이 저항이 더 낮을 거라고 생각하지만 사실은 구리가 훨씬 더 저항이 낮기 때문에 오로지 구리를 쓰지 않는 이유는 산화 때문이거든요.

그러니까 산화만 해결이 되면 충분히 쓸 수 있고, 또 이번에는 우리가 상온에서의 문제만 해결을 했지만 실제로 고온에 가서도 산화되지 않는 기술들을 저희가 다 개발을 해서 아마 그런 문제들은 다 해결이 될 거라고 봅니다.

<질문> 이데일리 기자입니다. 그 산화를 차단한다는 게 결국에는 소재라든가 소자에 대한 녹스는 것을 방지한다는 뜻으로 해석을 해도 되는지 먼저 궁금하고요.

그리고 아까 색깔별로 제어할 수 있다고, 색깔 제어도 기대한다고 말씀해 주셨는데, 그러면 녹슨 형태를 다양한 색깔로 가공을 해서 필요한 부분에 따라서 이용할 수 있는 것을 의미하는지 궁금하고요.

마지막으로 나노회로 외에 또 접목을 기대하고 계신 부분이 있다면 말씀 부탁드립니다.

<답변> 산화를 막는다는 것은 구리 원래의 표면 위에 산소가 들어옴으로 인해서 Cu2O나 CuO나 이런 것으로 상이 바뀌는 것을 이야기하는 거거든요. 그것 자체를 차단하는 겁니다. 그런데 쉬운 예로 자유의 여신상 생각해 보면 자유의 여신상이 원래 만들어질 때는 구리색이었는데 지금은 녹색처럼 변해 있잖아요. 그게 전부 부식되고 산화돼서 그러는 건데, 단결정으로 만들게 되면 일단 산화가 되지 않습니다. 그런데 물론 손으로 긁는다든가 하면 그런 문제가 생길 수 있는데, 그런데 굉장히 일단 일반적인 상황에서는 산화에 강하게 되고요.

또 하나, 산화 색깔을 우리가 마음대로 바꾸는 이런 기술을 개발했다고 보고를 드렸는데, 색깔을 바꾸는 것은 특정 조건에 갔을 때 저희 단결정 시료 같은 경우는 산화가 되는 두께가 여기는 10층이 산화가 되고 여기는 2층이 산화가 되고 이런 게 아니라 전체적으로 똑같이 10층이 산화가 되기 때문에 산화된 색깔이 얼룩덜룩하지가 않습니다.

그러니까 산화되고 나서 우리가 보기 싫은 이유가 표면이 굉장히 얼룩덜룩하기 때문에 그렇잖아요. 그런데 이 산화를 잘 조절을 하면 완전히 빨간색, 파란색 이렇게 해서 색깔을 300 몇십까지뿐 아니라 아까 제가 보여드린 1,800 몇십까지도 조절할 수가 있습니다. 그래서 그것을 응용하면 산업에서 반도체로 쓸 수도 있고요. 부분적인 산화를 유도할 수도 있고 이렇습니다.

또 마지막에 질문하신 것이.

<질문> ***

<답변> 회로, 예. 사실은 이게 가장 중요한 것이죠. 반도체에서 금속을, 반도체에서는 반도체만 쓰는 것 같지만 실제로 전극으로 쓰는 것은 다 금속이잖아요. 그래서 금속을 패턴을 해서 나노 *** 이런 데다가 써야 되는데 그렇게 식각을 하고 나면 식각된 자리가 산화가 되고 하니까 구리를 쓰지 못하는 것이죠. 그런데 단결정은 산화가 되고 난 그런 경계면에서도 굉장히 깨끗하게 면이 발달되어 있어서 쉽게 산화가 되지 않습니다.

그래서 아까 질문하신 내용이 매우 중요한 것이 제가 지금 평평한 면에서 한 층의 두께로 조절한다 그랬는데 이게 곡면이 되면 곡면에서도 한 층, 한 층의 원칙을 유지하면서 곡면이 이루어져요. 그래서 곡면이 되더라도 산화가 안 되게끔 만들 수가 있습니다. 그래서 그게 아마 산업에서는 가장 중요한 키가 아닐까 생각하고 있습니다.

<답변> (사회자) 더 이상 질문이 없으시면 브리핑을 마치겠습니다.

<답변> 감사합니다.

<끝>