구리산화에 대한 도식적인 모델(부산대 제공)

부산대와 성균관대, 미국 미시시피대 공동연구팀이 그래핀 등 반도체 산업에서 소재 합성에 쓰일 수 있는 '초평탄 단결정 구리박막'의 성장 메커니즘을 밝혀, 향후 박막 연구에 긍정적인 영향을 줄 것으로 전망된다.

부산대 광메카트로닉스공학과 정세영 교수팀은 성균관대, 미국 미시시피대와의 공동연구를 통해 초평탄 금속성장 기술인 '원자 스퍼터링 에피탁시(Atomic Sputtering Epitaxy, ASE)'를 이용해 단결정 구리박막의 성장 초기에 일어나는 핵 형성의 원리와 수조 개의 핵들이 하나로 통합되는 메커니즘을 이론뿐 아니라 실험적으로 규명하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.

전기전도도가 높고 저렴한 구리는 초정밀 소재나 회로에 쓰이는 금을 대체할 수 있는 물질이지만, 산화가 일어나 안정성을 흔드는 것이 문제다.

그런데 구리 박막을 단결정(물질 내 원자들이 규칙적이고 한 방향으로 배열된 상태)으로 성장시켜, 벽돌로 쌓은 담이 한 층 높이를 이루듯 단원자층 수준의 거칠기(박막 표면 높이)를 가지는 초평탄 형태를 구현하면 산화가 일어나지 않아 실용성이 높아진다.

연구팀이 자체 개발한 '원자 스퍼터링 에피탁시(ASE)'는 이처럼 벽돌 쌓듯 원자 한 개 한 개를 쌓아 올리는 박막 성장장치다.

이는 지난해 연구팀이 세계적 학술지 '네이처'에 발표한 논문 내용으로, 구리 산화의 원리를 원자 수준에서 규명한 세계 최초의 연구로 큰 주목을 받았다.

이전 논문이 구리 산화를 막는 단결정 박막의 초평탄화가 어떻게 일어나는지를 규명한 것이라면, 이번 연구는 초평탄화 이전의 초기 3단계인 '핵 형성(nucleations)-핵 통합(merging)-층 성장(layer grow)' 과정을 상세히 밝힌 것이다.

이번에 연구팀은 실험적·이론적 연구를 통해, ASE 기법을 사용할 경우 박막이 초기 성장에서 지금까지 알려진 3가지 모드(VW, FM, SK) 중 하나를 따르는 것이 아니라 새로운 모드로 성장함을 밝히고 이 방법에 의해 초평탄면을 갖는 단결정 박막으로 성장됨을 입증했다.

이번 연구의 성과는 박막이 새로운 모드를 거쳐 초평탄면으로 성장한다는 점이다. 기존의 섬 형성 모델(VW), 층 형성 모델(FM), 층에서 섬으로 성장하는 모델(SK)과 달리 섬을 형성한 다음 완전한 층으로 성장하는 새로운 모델을 확인했다.

연구팀은 이론적 계산을 통해 원자들이 하나씩 확산돼 섬 성장이 이뤄지면 방향이 틀어지지 않고 동일 평면으로 모든 핵 형성이 통합될 수 있음을 설명했고, 실험적으로 HRTEM(고분해능 투과전자현미경) 등을 사용해 섬이 성장해 가는 과정을 관측했다.

자체 개발한 ASE 장치를 기반으로 원자 한 층 수준의 거칠기를 갖는 '초평탄 단결정 구리박막'을 2인치 이상의 대면적으로 성장시킬 수 있는 이론적 근거와 실험적 증거를 제시함으로써 이번 연구가 박막 산업 발전에 미칠 영향과 시사점을 가늠해 볼 수 있다.

이번 연구를 통해 스퍼터링법을 사용하면서도 대면적 단결정은 물론이고 표면을 초평탄면으로 성장시킬 수 있는 초기 성장 조건들이 모두 밝혀짐에 따라 향후 금속 박막 분야의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

박막의 초기 성장 기원을 밝힌 연구팀의 논문은 'Coherent consolidation of trillions of nucleations for mono-atom step-level flat surfaces(원자 한 층 수준의 평탄면을 위한 수조 개의 핵형성의 일관된 통합)'이라는 제목으로 세계적인 자연과학 전문 학술지인 '네이처 커뮤니케이션스(Nature communications)' 온라인판에 최근 게재됐다.