광메카트로닉스공학과 정세영 교수 연구팀이 녹슬지 않으면서도 회색에서 검은색까지 연속적인 무채색을 구현하는 단결정 구리를 개발했다. 또한, 무채색 구리의 성장 원인과 산화되지 않는 원인, 성장된 구리 표면의 구조와 특이성을 이론 및 실험을 통해 규명했다.
특히, 이 무채색 구리는 빛의 흡수 정도를 조절할 수 있고, 빛을 가두기는 하지만 열은 흡수하지 않아 산업에의 폭넓은 활용이 기대된다.
연구팀은 Atomic Sputtering Epitaxy(ASE)법에 의한 구리 박막의 성장과정에서 성장조건을 조절함으로써 성장된 박막이 연한 회색에서부터 완전히 검은색까지의 다양한 무채색을 갖도록 하는 특별한 성장 기술 개발에 성공했다.
연구팀이 개발한 무채색 및 검은색 구리는 나노구조체가 빛을 가두는 현상에 의한 결과물이다. 박막 성장과정에서 기공의 밀도, 기공의 크기, 기공 간의 연결성 등을 제어해 구리 다공체를 증착함으로써 아주 연한 회색에서부터 완전히 검은 흑체 상태로 성장시킨 것이다.
<다공성 나노구조 박막의 무채색성 제어>
a) 평균 RGB 값에 따라 무채색성과 명도의 함수로 배열한 구리 나노구조 박막의 컬러 차트
b) 주사전자현미경으로 관측된 가장 검은 색의 박막에 대한 측면도 및 상면도
성장된 무채색 구리의 표면은 마치 위를 향해 뻗어있는 돌기처럼 수지상결정(dendrite) 구조로 자란다. 이러한 무채색 구리 시료들은 몇 년 동안 상온에 방치된 경우에도 산화가 발생하지 않았다.
정세영 교수팀은 지난해 『네이처』를 통해 발표한 연구에서 ‘원자 수준의 평탄한 면을 갖는 구리는 산화되지 않음’을 밝힌 바 있다. 그러나 이번 연구는 ‘구리 표면이 울퉁불퉁한 곡면임에도 산화되지 않은’ 것으로, 정밀한 표면분석 기술을 통한 조사와 이론적 모델링을 통한 분석 결과를 제시했다.
연구팀은 수지상결정 구조의 표면이 대부분 단일 원자층들의 연속으로 이뤄져있고 표면의 원자 2~3개 층이 표면장력에 의해 약 20pm(피코미터, 1조분의 1m) 정도로 수축됨에 따라 산화를 일으키는 산소들이 구리 표면층을 통해 침투하기 어렵게 만든다는 것을 알아냈다.
<4가지 종류의 무채색 박막에 대해 재구성된 3차원 공간 이미지>
마이크로 스케일로 복원된 구리 박막의 다공 구조와 100 nm3로 확대된 3차원 구리 다공구조 박막 영상 모습
(Br: Brown, G: gray, DG: Dark gray, B: Black)
이러한 무채색 구리는 광범위한 영역의 광(빛)을 흡수할 뿐 아니라 빛을 흡수하는 정도를 무채색의 정도에 따라 조절할 수 있어 산업계 활용 범위가 매우 넓다. 특히 빛을 가두기는 하지만 열은 흡수하지 않는 특이한 성질 때문에 다양한 응용이 가능할 것으로 전망된다.
박막의 초기 성장 기원을 밝힌 이번 연구는 세계적인 재료과학 전문지 『Advanced Materials』 10월 19일자 후면 표지논문(back cover)으로 선정돼 게재됐다.
- 논문 제목: Self-oxidation resistance of the curved surface of achromatic copper(무채색 구리의 곡면에서 자체산화저항)
- 논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202370306
이번 연구는 과학기술정보통신부과 한국연구재단이 지원하는 기초연구실지원사업과 중견연구사업의 지원을 받았으며, 부산대와 성균관대, 미국 미시시피주립대, 부경대 공동연구로 진행됐다.
* 메인 이미지: 『Advanced Materials』 후면 표지논문(왼쪽)과 정세영 교수
[Abstract]
Copper surfaces that display a broad range of color, including black, while maintaining their metallic properties have not been previously reported. A new approach is introduced involving the growth of achromatic copper films with a preferal porous nanostructures through a two-step atomic sputtering epitaxy process. These porous copper nanostructures regulate their resistance to oxidation by creating a curved surface with mono-atomic steps, followed by shrinking the lattice spacing of surface layers.
A theoretical approach validates that these structural elements work together to enhance the energy barrier against oxygen penetration. The achromatic nature of the single-crystalline porous copper films can be precisely adjusted by changing geometrical factors like pore size distribution and three-dimensional connections. The optimized achromatic copper films, which exhibit strong oxidation resistance, exhibit a unique switch between superhydrophilicity and superhydrophobicity.
These custom-designed three-dimensional porous nanostructures have the potential to be used in various applications, including antireflection coatings, microfluidic devices, droplet tweezers, and reversible wettability switches.red [111] orientation. This is achieved by depositing three-dimension.
* Reference
- Author: Prof. Se-Young Jeong (Department of Optics and Mechatronics Engineering)
- Title of original paper: Self-oxidation resistance of the curved surface of achromatic copper
- Journal: Advanced Materials
- DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202210564
