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PNU 리서치

'정세영 명예교수팀, 원자 한 층 두께 차단막…고온서 구리 산화 막는 신기술 개발'
광메카트로닉스공학과 정세영 명예교수팀, 원자 한 층 두께 차단막…고온서 구리 산화 막는 신기술 개발 ASE법으로 만든 초미세 실리콘 막의 놀라운 효과 규명


광메카트로닉스공학과 정세영 명예교수 연구팀원자 한 층의 차단막을 도입해 구리의 전기전도도는 그대로 유지한 채 고온에서의 산화를 막는 획기적인 기술을 개발했다.


ASE(Atomic Sputtering Epitaxy)법을 활용해 실리콘(Si)을 증착한 것으로, 400℃의 고온에서도 금속 표면의 산화가 억제됨을 규명했다. ‘ASE법’은 정세영 교수 연구실에서 개발한 박막 성장 기술로, 낱알경계(grain boundary)가 없는 금속 박막을 원자 한 층 수준(약 0.2nm)의 거칠기로 성장시킬 수 있다. 


일반적으로 구리는 상온에서도 산화가 유발되며, 온도가 높아질수록 산화 속도는 급격히 증가한다. 정세영 교수 연구팀은 이전 연구[Nature 603, 434 (2022)]에서 구리 표면이 원자 한 층의 계단 형태(초평탄 표면)로 이뤄져 있으면 상온에서의 산화를 방지할 수 있음을 밝혔다. 그러나 초평탄 표면을 갖는 구리 박막조차도 열을 가하게 되면 산화가 진행돼[Adv. Mater. 33, 2007345 (2021)], 산화된 두께에 따라 다양한 색상을 지니게 된다. 


이번 연구에서는 구리 표면에 물리적 흡착 상태로 상시 존재하는 산소를 표면에 고정하는 ‘고정 원소’를 도입해 산화를 방지하고자 했다. 제1원리 계산을 활용해 다양한 고정 원소 후보군들을 조사한 결과, 실리콘(Si)이 가장 적합하다는 이론적 근거를 확보했고 표면 단 한 층에서 ‘사이콕스; 실리콘(Si)-산소(O)-구리(Cu) 원소 간 강력한 결합’이 형성됨을 추가로 규명했다. 


【사이콕스층의 적용 결과 및 응용】 

a) 사이콕스 층을 형성해 고온에서 가열한 후의 저항변화 (420도까지는 저항에 큰 변화가 없음을 보여줌)   

b) 구리 호일의 경우 150도 이상에서 완전히 산화되나 사이콕스 층 형성 후 300도까지는 산화되지 않음을 보여줌

c) 폴리머 기판상에 증착해 패턴을 만든 경우에도 사이콕스 층이 형성되면 고온처리와 1,000회의 bending에도 패턴이 변화 없이 유지됨을 보여줌 

d-e) Si 층이 구리뿐 아니라 철(Fe)과 니켈(Ni) 표면에서도 적용돼 고온산화를 차단함을 보여줌. 


이론 계산을 실험으로 검증한 결과, 실리콘(Si)이 증착된 단결정 구리 표면은 400℃에서도 산화를 견뎠으며, 실리콘이 증착된 일반 구리 호일도 300℃ 근처까지 산화가 방지됐다. 나아가, 철(Fe)이나 니켈(Ni) 등의 다양한 금속에서도 고온 산화(400℃)가 억제됨을 확인했다. 


구체적으로, 연구팀은 실리콘(Si)이 ASE법에 의해 구리 표면에 원자 수준으로 뿌려지면 약한 결합을 하고 있던 구리와 산소 사이에 개입해 강한 결합의 층(Si-Cu-Ox, 사이콕스)을 형성해 고온에서의 산화를 차단함을 밝혔다.


구리의 전기 저항은 1.72 × 10-6 Ω·cm로, 탁월한 전기 전도도를 자랑한다. 많은 사람들이 금(Au)의 전기 저항이 더 낮을 것이라 생각하지만, 실제 금의 전기 저항은 2.44 × 10-6 Ω·cm로 구리보다 높다. 그럼에도 금이 다양한 분야에서 널리 사용되는 이유는 산화에 강하고 고온에서의 안정성이 확보되기 때문이다. 다만, 금의 높은 가격은 큰 제약으로 작용하고 있다.


구리의 표면을 화학적으로 코팅해 60℃ 정도의 산화를 억제한 기술이 2022년 『Nature』에 보고될 만큼 구리의 고온 산화는 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 그러나 이러한 표면 코팅 방식은 전기 저항을 증가시켜 우수한 구리의 전기적 특성을 유지하지 못하는 한계를 지닌다. 또한, 재료 과학에서 발전한 합금화 기술 역시 산화 방지에는 효과적일 수 있지만, 전기 전도도를 보존하는 데는 어려움이 따른다. 이로 인해, 구리의 산화 문제를 해결하면서도 본연의 특성을 유지할 수 있는 혁신적인 대안이 필요한 상황이었다.


연구팀은 ASE법을 최초로 개발해 2차원 구리 박막을 결정립계가 없도록 성장하는 데 성공한 바 있다. 이번 연구에서도 ASE법을 적용해 구리 박막, 구리 호일, 폴리머에 증착된 구리 혹은 표면이 거친 다결정 표면 등 어떤 형태의 구리 표면이더라도 Si 입자를 매우 균일하게 도포해 사이콕스 층을 형성했다. 최상위 표면 내 형성된 원자 한 층의 막(사이콕스)은 고온에서의 산화를 효과적으로 차단하면서도 구리 본연의 전기적 특성을 그대로 유지했다.


이번 연구는 원자 한 층 두께의 차단막을 도입해 고온 산화를 효과적으로 차단하면서도 구리의 전기적 특성은 거의 그대로 유지하는 혁신적인 기술로, 향후 전극 소재 내 구리의 활용 가능성을 크게 확장할 것으로 기대된다. 


【연구진. 왼쪽부터 정세영 교수, 김수재 박사】


Si을 증착해 400℃까지의 고온 산화를 차단하는 사이콕스 층의 발명에 대한 이번 연구는 ‘An impermeable copper surface monolayer with high-temperature oxidation resistance(고온산화저항을 갖는 침투 불가한 구리 단원자층 표면)’이라는 제목으로 세계적인 재료과학 전문지인 『Nature Communications』 온라인판 2월 8일자에 게재됐다. 

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41467-025-56709-w 

  

이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 과학기술정보통신부 지원을 받아, 부산대 광메카트로닉스공학과 정세영 명예교수, 성균관대 에너지과학과 김영민 교수, 미국 미시시피주립대 물리천문학과 김성곤 교수가 공동 교신저자, 부산대 단결정연구소 김수재 박사, 성균관대 에너지과학과 김영훈 박사(현 미국 오크리지 국립연구소 박사후연구원)가 공동 제1저자로 수행했다.


정세영 광메카트로닉스공학과 교수는 “구리의 산화 문제는 재료공학과 산업계의 심각한 난제 중 하나로 여겨져 왔고 온도가 상승함에 따라 산화 문제는 더 심각해지며 해결 방안이 거의 없었는데 이번 연구의 결과로 구리를 다양한 목적으로 사용하는 재료 분야와 산업 분야에 매우 획기적인 진보가 이뤄질 것”이라고 말했다. 


* 상단 연구 이미지: 구리 표면에 단원자층으로 형성된 사이콕스(SiCuOx) 산화차단막

a) 구리표면에 형성된 사이콕스 산화차단막의 도식적 이미지 

b) 구리에 열을 가했을 때 산화차단막이 없을 경우 구리 표면의 색변화 

c) 이론적으로 계산을 통해 구리 표면을 차단하는 후보 물질을 찾는 과정 

d) 최적의 후보로 Si를 실험적으로 구리 표면에 증착했을 때 열이 가해진 뒤 색변화 (Si 증착후 400도까지의 가열에도 구리 표면에 산화가 일어나지 않음) 


그림 1a의 이미지는 구리표면에 형성된 사이콕스 산화차단막을 도식적으로 보여준다. 이러한 표면의 차단막 없이 구리 표면에 열을 가하면 그림 1b처럼 열처리 온도에 따라 색이 변한다. 이 색들은 산화된 층의 두께에 따라 달라지며 그나마 단결정 시료를 열처리했을 때 이렇게 깨끗한 색이 나타나고 일반 폴리의 경우는 얼룩덜룩한 색 변화를 보인다. 산화 차단막을 만드는 데 가장 적절한 고정원소가 무엇일지를 이론적 계산을 통해 먼저 후보군을 조사했고 그림 1c에서처럼 몇 가지 원소 군을 확보했으나 여러 이유를 통해 Si이 가장 최적 원소로 선택됐다. 그림 1d는 Si을 실제 실험적으로 적용했을 때 고온에서도 구리 표면이 원래의 색을 유지하며 표면에 산화층을 만들지 않음을 확인했음을 보여준다. 



[Abstract] 

Despite numerous efforts involving surface coating, doping, and alloying, maintaining surface stability of metal at high temperatures without compromising intrinsic properties has remained challenging. In this study, we present a pragmatic method to address the accelerated oxidation of Cu, Ni, and Fe at temperatures exceeding 200. Inspired by the concept that oxygen (O) itself can effectively obstruct the pathway of O infiltration, this study proposes the immobilization of O on the metal surface. Through extensive calculations  considering various elements (C, Al, Si, Ge, Ga, In, and Sn) to anchor O on Cu surfaces, Si emerges as the optimal element. The theoretical findings are validated through systematic sputtering deposition experiments. The introduction of anchoring elements to reinforce Cu–O bonds enables the formation of an atomically thin barrier on the Cu surface, rendering it impermeable to O even at high temperatures (400) while preserving its intrinsic conductivity. This oxidation resistance, facilitated by the impermeable atomic monolayer, opens promising opportunities for researchers and industries to overcome limitations associated with the use of oxidizable metal films.

 

- Authors (Pusan National University) 

 · First author: Su Jae Kim (Crystal Bank Research Institute,)

 · Corresponding author: Se-Young Jeong (Department of Optics and Mechatronics Engineering)

- Title of original paper: An impermeable copper surface monolayer with high-temperature oxidation resistance

- Journal: Nature Communications

- Web link: https://www.nature.com/articles/s41467-025-56709-w 

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