세계 최초로 구리의 산화 원리 밝혔다

구리는 가장 널리 사용되고 있는 전도체다. 하지만 구리는 공기 중에 노출되면 쉽게 산화돼 붉은 갈색에서 청록색으로 바뀐다. 그래서 초정밀 소재 등의 전기회로에는 구리보다 전기전도성도 나쁘고 훨씬 더 비싼 금이 사용되고 있다. 최근 국내 연구팀이 구리를 단원자층 높이의 얇은 박막으로 만들면 산화하지 않는다는 것을 알아냈다.

 

정세영 부산대 광메카트로닉스공학과 교수와 김영민 성균관대 에너지과학과 교수, 김성곤 미국 미시시피주립대 천체물리학과 교수 공동 연구팀은 두께가 4㎚, 거칠기가 0.2㎚에 불과한 세계에서 가장 얇고 매끈한 초평탄 단결정 구리박막을 만들었다. 그리고 이 구리 박막을 1년간 공기 중에 노출시킨 뒤, 고분해능 투과전자현미경을 사용해 관측했다. 그 결과 일반적으로 구리표면에서 관찰되는 자연 산화막은 물론, 원자 한층 수준의 산화도 관찰되지 않았다.

 

연구팀은 표면 거칠기가 두 원자층 이상일 경우, 구리 내부로 산소 침투가 쉽게 진행되지만 완벽하게 평평한 면이거나 단원자층일 때는 산소가 침투하기 어려워 산화가 일어나지 않는다는 것을 확인했다. 이뿐만 아니라 초평탄 박막 표면에 있는 산소는 산소 자리의 50%가 차면 더 이상 다른 산소가 접근하지 못하도록 밀어내어 산화를 억제하는 기능도 있다는 것을 알아냈다.

 

이번 연구는 산업 전반에 사용되는 구리의 산화 원인을 정확히 밝히고, 금을 구리 박막으로 전면 교체할 수 있는 계기를 마련했다는 평가를 받는다. 정 교수는 “이번 연구성과는 구리 산화의 기원을 원자수준에서 규명한 세계 최초 사례”라며 “변하지 않는 구리의 제조 가능성을 열었다”라고 의미를 밝혔다. 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 3월 17일 자에 실렸다.