구리 표면 산화 제어해 360가지 색상 구현

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 이영희 단장(성균관대 에너지과학과 교수)은 부산대(정세영 교수), 성균관대(최우석 교수)와 공동으로 구리의 표면 산화층을 조절해 360가지 이상의 총천연색을 구현하는 데 성공했다. 대면적 구리 박막 산화층을 1~2 나노미터 두께 수준으로 조절한 연구는 최초로, 산화물 층 두께를 정밀하게 조절해 총천연색을 구현할 수 있음을 보였다.

구리는 붉은 갈색을 띠었다가 산화 시 청록색을 띤다. 자유의 여신상을 비롯한 구리 합금 동상이 청록색인 이유다. 금속 산화는 현재 과학기술로 완전히 정복하지 못한 숙제 중 하나인데, 그 중에서도 특히 구리의 산화는 규칙성이 없어 방향성 제어가 불가능한 것으로 알려져 있었다.

연구진은 먼저 원자 수준으로 평평한 단결정 구리박막을 만들기 위한 장치를 개발했다. 연구진이 개발한 ‘원자 스퍼터링 에피택시(Atom Sputtering Epitaxy)’ 장치는 원자 단위로 구리를 적층해, 기존의 박막 결정성장 장비에서 구현할 수 없는 0.2nm 두께의 극도로 평평한 단결정 구리 박막을 제조하는 데 성공했다.

* 단결정(single-crystal) : 전체 시료 내 원자들이 연속적·주기적으로 배열된 고체상태를 말한다. 그레인(grain)은 한 방향으로 배열된 영역을 말하는데, 전체 시료가 단 하나의 그레인이면 단결정이다. 그러나 보통의 물질은 그레인이 10M㎡개 정도로 아주 많고 이들 간의 경계는 소재의 물리적 특성을 저하시킨다.

이렇게 얻은 구리 박막을 이용해 연구진은 구리의 산화 방향을 제어하고, 산화층 두께를 원자층 수준으로 조절하는 데 성공했다. 실험 결과 균일하게 산화된 구리 표면은 산화층 두께에 따라 선명한 총천연색을 띠었다. 이는 구리와 산화층 사이 경계에서 반사되는 빛이 산화층 두께에 따라 다른 파장을 갖기 때문으로 설명될 수 있다.

더 나아가 연구진은 레이저를 이용해 표면을 국소적으로 산화시키는 산화-식각(oxide-lithography) 기술을 선보였다. 이는 산화를 식각 기술에 처음으로 적용한 것이다. 연구진이 성장시킨 단결정 구리 박막은 레이저 열에 영향을 받아 부식된 색을 보이는 현상을 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 후가공에 의한 투명산화층, p형 반도체 영역 삽입도 가능하다. 또 여러 이미지를 금속 표면에 새길 수 있어 향후 복제 불가한 암호식각, 반도체 소자 제작 등에 활용될 것으로 기대된다.

* 리소그래피 : 미세하고 복잡한 전자회로를 기판에 그려 집적회로를 만드는 기술.

* p형 반도체 : 주요 전하 운반자로 양공(전자의 빈 자리)이 사용되는 반도체. n형 반도체의 경우 전자가 전하를 운반하는 반면 p형 반도체는 양의 전하를 가지는 홀이 운반자로서 이동해 전류를 흐르게 한다. 반도체 소자에는 n형과 p형이 모두 필요하다.

이번 연구는 구리의 산화를 완벽하게 제어해, 학문적·산업적으로 중요한 의의를 갖는다. 연구진은 앞으로 구리를 산화시켜 투명한 p형 산화물 반도체로 활용하는 연구와 산화 식각을 통해 기존 방식과 전혀 다른 반도체 공정을 개발하는 연구를 수행할 예정이다.

이번 연구는 신소재 분야의 세계적 권위지인 어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials, IF 27.398) 誌에 3월 9일 게재됐다.

▲ 산화시킨 단결정 구리 박막

표면 산화층 두께를 정밀하게 제어해 360가지 이상의 색상을 구현할 수 있다.

▲ 단결정 구리 박막의 색지도

(a) 단결정 구리 박막 사진 (b) 실제 시료의 사진으로 구성된 색바퀴 (c) 제조된 시료(파란색 타원)가 일반적 모니터색을 나타내는 sRGB 색 공간(회색 삼각형)을 얼마만큼 구현했는지를 국제조명위원회 xy chromaticity diagram에 나타낸 그림

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출처: 기초과학연구원