광메카트로닉스

구리의 색은 붉은 갈색 또는 산화 시 청녹색으로 표현되지만 표면의 산화를 잘 제어하면 360가지 이상의 총천연색을 구현할 수 있다는 연구결과가 발표됐다. 그것도 매우 반짝이는 금속성의 반사색을 가지고 있어서 비교할 상대가 없는 아름다운 색을 뽐낸다.

광메카트로닉스공학과 정세영 교수 연구팀이 최근 단결정* 구리박막의 표면 산화층을 조절해 360가지 이상의 총천연색을 구현하는 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 단결정이지만 보통의 물질은 이런 그레인들이 1012개 정도로 아주 많고 이들 간의 경계인 그레인 경계(grain boundary)는 물리적 특성을 나쁘게 만든다. 그레인 경계가 전혀 없다는 것은 단결정만이 갖는 고유한 특성이다.
 
대면적 구리박막의 산화층을 1~2nm(나노미터, 10억분의 1미터) 두께 수준으로 조절한 최초의 연구결과로, 논문이 신소재 분야 세계 최고 수준의 학술지인 『어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)』 3월 9일자에 게재됐다.
- 논문 제목: Color of Copper/Copper Oxide(구리의 색)
- 논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202007345

정세영 교수(공동교신저자)의 이번 연구는 단결정은행연구소 김수재 박사가 제1저자로 수행했으며, 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 이영희 단장(성균관대 에너지과학과 교수), 성균관대 물리학과 최우석 교수 공동 연구진이 참여했다.

<정세영 교수와 김수재 박사(왼쪽부터)>

자유의 여신상은 구리(31톤)와 철(125톤)로 만들어졌으며 처음에는 붉은 빛의 금속색을 띄고 있었다. 그러나 시간이 지나면서 녹이 슬어 탁한 청녹색으로 변해 지금의 색이 됐다. 이처럼 금속의 산화는 여전히 현대과학으로도 완전히 정복하지 못한 남겨진 숙제 중 하나이며, 특히 구리의 산화는 규칙성이 없어 방향성을 제어하는 것이 불가능한 것으로 알려져 왔다.

연구팀은 이번 연구에서 ‘원자 스퍼터링 에피택시(ASE, Atom Sputtering Epitaxy)’ 장치를 개발해 기존의 박막 결정성장 장비에서 구현할 수 없는 0.2nm의 수준의 초평단 단결정 구리박막을 제조하는 데 성공했다. 또한 이를 이용해 구리의 산화 방향을 제어하고 산화층 두께를 원자층 수준으로 조절하는 데 성공했으며, 균일하게 산화된 구리 표면이 두께에 따라 선명한 총천연색을 표현한다는 것을 밝혀냈다.

< 단결정 구리 박막에서의 색지도> 
a) 대표적 단결정 구리 박막의 사진 b) 실제 시료의 사진으로 구성된 색바퀴
c) 제조된 시료(청색 타원)가 일반적 모니터색을 나타내는 sRGB색 공간(회색 삼각형)을
얼만큼 구현했는지를 국제조명위원회 xy chromaticity diagram에 나타낸 그림 
     

뿐만 아니라 레이저를 사용해 미소(微小)영역만을 선택적으로 국부산화시키는 새로운 산화 식각(oxide-lithography) 기술을 선보여 산화를 식각 기술에 적용하는 개념을 처음으로 구현했다.

국부산화는 산업적으로도 매우 중요한 기술이지만 일반적인 금속에 레이저를 쪼일 경우 열에 영향을 받아 부식된 색을 보이는 열영향부(heat-affected-zone, HAZ)의 발생을 피할 수 없다. 그러나 원자 스퍼터링 에피택시(ASE)에 의한 단결정 박막을 사용할 경우 HAZ를 최소화할 수 있고 후가공에 의한 투명산화층이나 p형 반도체* 영역 삽입 등은 물론이고 0-, 1-, 2-차원**의 산화식각이미지를 금속 표면에 구현할 수 있어서 복제 불가한 암호식각, 반도체 소자 제작 등에 획기적 기술로 활용이 가능할 전망이다. 
* p형 반도체: 주요 전하 운반자로 홀이 사용되는 반도체다. n형 반도체의 경우 전자가 전하를 운반하는 반면 p형 반도체는 양의 전하를 가지는 홀이 운반자로서 이동해 전류를 흐르게 한다. 반도체에서는 n형과 함께 p형이 꼭 있어야 소자 제작이 가능하다.

** 0-, 1-, 2-차원: 차원은 공간의 차수를 나타내는 수학적 표현으로 물질에서 0차원은 점, 1차원은 선, 2차원은 면, 3차원은 체적 공간을 나타낸다.

공동교신저자인 정세영 부산대 교수(단결정은행연구소장)는 “구리의 산화가 완벽하게 제어되는 것은 나노기술과 재료과학 및 물리학적 지식이 융합된 첨단 기술로서 학문적으로 그리고 산업적으로도 매우 중요한 의미를 가지며 우리 생활 주변에 가장 흔하다고 생각했던 구리를 이제 다른 시각에서 봐야할 시점이 되었다”며 연구의 의의를 밝혔다.

연구진은 앞으로 구리를 산화시켜 투명한 p-type 산화물 반도체로 활용하는 연구와 산화 식각을 통해 기존의 방식과는 전혀 다른 반도체 공정을 개발하는 연구를 수행할 예정이다.

* 상단 사진: 대표적 단결정 구리 박막(single-crystal copper thin films)

[Summary of Research]

Copper is reborn in 360 colors

Stochastic inhomogeneous oxidation is an inherent characteristic of copper (Cu), often hindering color tuning and bandgap engineering of oxides. Coherent control of the interface between metal and metal oxide remains unresolved. Coherent propagation of an oxidation front in single-crystal Cu thin film is demonstrated to achieve a full-color spectrum for Cu by precisely controlling its oxide-layer thickness. Grain-boundary-free and atomically flat films prepared by atomic-sputtering epitaxy allow tailoring of the oxide layer with an abrupt interface via heat treatment with a suppressed temperature gradient. Color tuning of nearly full-color red/green/blue indices is realized by precise control of the oxide-layer thickness; the samples cover ?50.4% of the standard red/green/blue color space. The color of copper is realized by the reconstruction of the quantitative yield color from the oxide pigment and light-layer interference to produce structural color. Furthermore, laser-oxide lithography is demonstrated with micrometer-scale linewidth and depth through local phase transformation to oxides embedded in the metal, providing spacing necessary for semiconducting transport and optoelectronics functionality.

Fig.) Commission Internationale de L’Eclairage (CIE) xy chromaticity diagram with our samples (>300) and reference colors. Gray triangle represents scientific red/green/blue (sRGB) color space of a typical computer monitor. Blue ellipse indicates range covered by the current work, as an area ratio relative to gray triangle.

* Title of original paper: Color of Copper/Copper Oxide
* Journal: Advanced Materials
* https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202007345
* Authors
- (Co-corresponding author) Pusan National University, Prof. Se­Young Jeong
- (First author) Pusan National University, Dr. Su Jae Kim

(2021.4.7.)