[강의]녹슬지 않는 구리의 비밀_정세영 교수의 행복한 연구개발 활동

구리 미세조직 (출처: Wikimedia Commons)

기초과학이 얼마나 중요한 지를 체감할 수 있는 좋은 강의를 들었습니다. 구리라는 물질 하나로도 수많은 연구를 할 수 있습니다. 그중 하나의 연구로도 인류의 삶에 커다란 영향을 줄 수 있습니다. 수많은 일자리를 만들어 낼 수 있습니다. 정세영 교수의 구리에 대한 강의였습니다. 

정세영 교수의 구리에 대한 강의는 기초연구가 얼마나 중요하고 영향력이 있는지 보여줍니다. 구리는 전기전도성이 좋아서 전선 외에도 오디오나 의료기기까지 폭넓게 사용됩니다. 고순도의 구리는 관련 산업에 긍정적인 영향을 줍니다.

정세영 교수는 당연한 것을 당연하게 생각하지 않고 의문을 제기하고 실험을 통해 증명하려 노력했습니다. 그 과정에서 세계적인 연구결과물이 등장합니다. 정세영 교수는 퇴직 후에 연구개발에 전념하며 새로운 인생을 살고 있습니다. 

그의 강의를 통해 얻은 것을 요약하면 아래와 같습니다. 

첫째, 구리라고 해서 다 같은 구리가 아닙니다. 다결정 구리를 넘어 단결정 구리는 독특한 특성을 보여줍니다. 
둘째, 나노단위의 변화는 물리적 특성을 개선할 수 있다.
셋째, 좋은 논문을 쓰기 위해서는 좋은 논문을 많이 읽어야 한다.
넷째, 우수한 연구결과물은 세계적인 교수들과의 협업요청을 받는다.

이하 정세영 교수의 강의내용을 정리했습니다.

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구리는 Cu와 O가 결합해서 녹이 발생한다. 흔히 구리 하면 다결정이다. 다결정의 구리는 결함이 많다. Grain Boundary(G/B)는 2차원 면결함이다.

단결정과 다결정에 차이가 있다. 벽돌을 마구 부어놓은게 다결정이고 하나하나 쌓은 게 단결정이다. 환경을 만들어주면 원자가 그렇게 쌓인다. 단결정은 G/B free다. 다결정은 G/B가 있다.

★ 동영상을 통해 수용액에서 결정이 성장하는 것을 보여주었다.

구리가 녹은 것을 과포화시키면 결정이 생긴다. 원자를 하나씩 쌓아가며 자라게 하는 것이다.

구리를 단결정으로 바꿨더니 노이즈가 바뀌었다. 초기에 있던 노이즈가 없어진다. 이를 음향기술에 적용했더니 성능이 향상된다. 오디오를 좋아해서 집에 있는 오디오의 케이블은 모두 단결정 구리를 사용했다.

구리 단결정 소자에 납을 쓰면 안 된다. 우수한 성능이 사라진다. 단결정 구리는 노이즈 레벨이 1/300로 감소한다.

MRI장비 (출처: Wikimedia Commons)

의료 분야에서도 적용 가능하다. 뇌신호 측정 등에도 노이즈 없이 깨끗이 측정할 수 있으면 혁명적이다. 리액터를 단결정으로 해서 MRI 등에 넣으면 깨끗해진다.

1. Atomic sputtering epitaxy(ASE)에 의한 단결정 박막 성장

모든 사람들이 박막 단결정은 불가능하다고 했는데 우리가 해냈다. 상업용 구리 박막을 만들 수 있다. SEM, EBSD는 결정성을 보는 것이다. (파란색은 같은 방향, 하늘색은 틀어진 것). 실험실에서 Sputtering 해서 분석을 해봤다.

일반 박막 성장 장비는 Target에 에너지를 줘서 기판 위에 쌓이게 하는 것이다. Polycrystalline Target처럼 면마다 떼어내는 에너지가 다르다. {111}, {100} 등. 이러면 박막이 원천적으로 이뤄지기 어렵다. Target에서 떨어지는 것이 다르기 때문이다.

우리는 새로운 방법을 개발했다. 결과적으로 엄청나게 차이가 났다. 원자를 하나씩 쌓는 것이다. Sputter system, not MBE!, not ALD! 바닥의 사파이어 기판 Al2O3에 Copper를 올렸다. 둘 사이에 죽은 Layer없이 잘 맞는다. 아래 13개 위의 14개 원자가 맞아가는 것을 볼 수 있다.

평탄한 면이 왜 중요하냐? 그래핀 키우는 사람들이 Cu를 사용한다. Cu를 단결정으로 해야 한다. 그래핀을 단결정으로 했다는 사람이 없다. 그래서 단결정 Cu를 이용해 단결정 그래핀을 만들었다. 0.21nm를 쌓았다. 원자 한 층이다. 원자 스케일은 TEM, 일반적인 것은 SEM을 이용한다. 100nm에서도 아무것도 없는 이미지를 보여준다. G/B가 없다. EBSD를 보면 결정 전체가 한 방향으로 정렬되어 있음을 알 수 있다. 이를 구현하면 그다음 단계로 가고 싶다. 계속 얇게 만들어 봤다. 7.5nm가 되면 조금 보인다.

증착하는 시간을 3초하고 꺼내야 한다. 시간이 지나면 위로 자라지 않고 옆으로 자라기 때문이다. Island끼리 붇는다. 핵이 10^12개다. 원자가 결정성장 중 하나일 때와 두 개일 때 다르다. 위가 아닌 옆으로 자라는 이유다.

2. 구리의 산소와의 불편한 동거

Oxygen free Cu. G/B에 산화되어 있는 형태로 보인다. 단결정일 때 표면 위에 산소가 굉장히 많이 덮여 있다. 한 층 두 층에 산소가 쌓이는데 관심이 거의 없다. 자연산화막은 2~3nm다.

TEM으로 단결정을 측정하니 산화층이 없다. 1년 된 시료인데 표면에 산화막이 없다. 왜 그럴까? 평평한 면은 산화가 잘 안된다. G/B가 있으면 산화된다고 알려져 있다. 원자 한 층이면 산화가 안된다. 결정면과 결정면이 만나면 산화가 된다. 원자 한 층과 두 층이 다르다.

Cu를 키웠는데 까맣다. 7년이 지나도 여전히 까맣다. X-ray를 찍어봤다. 완전히 단결정인데 까만 Cu가 나온다. SEM을 찍었더니 표면에 덴드라이트가 있다. 결정성장에 따라 색깔이 다르다. 표면을 확대해 보면 덴드라이트가 모두 단결정이다. 한 층씩 되어 있다. 개인적으로 명함으로 사용하는 종이 위의 적용했다. 원자 하나는 어디에도 가서 붙는다.

FPCB: Flexible Printed Circuit Board PCB 보드를 flexible 하는데 기술을 응용할 수 있다.

Cu를 강제로 산화를 시키면 어떻게 될까. 자유의 여신상이 원래 예쁜 구리색깔이었다. 구리를 금색처럼 만들 수 있다. 색깔을 다양하게 만들 수 있다. 논문의 제목을 Color of Copper/Cupper Oxide다.

원리는 간단하다. 산화된 부분과 안된 부분이 2nm 정도다. 산화된 표면에서 반사하는 것과 Cu에서 반사하는 각도에 따라 색깔이 다르다. 시간이 지나도 색깔이 동일하다. 산화층이 20nm라고 하면 산소가 상온에서 안으로 들어가지 않기 때문이다.

레이저로 시료 위에 스캔하며 산화하는 기술을 만들면 어떨까. Laser-induced oxide lithography. 레이저로 산화시키면 p type n type을 만들 수 있다.

온도가 올라가면 산화가 되는데 올라가도 산화가 되지 않으려면. 산소가 못 들어가게 막으면 되겠다. 온도가 올라가면 300도에서 1분 만에 완전히 산화된다. 하지만 코팅을 하고 400도까지 올려도 산화가 안된다. 표면의 산소층을 차단되도록 코팅한 것이다. 코팅을 한 것이 부도체가 되면 소용이 없다. 하지만 코팅을 해도 도체 특성을 유지한다.

산소가 구리 위에 어떻게 앉아있을까. 궁금했다. Cu 위에 산소가 앉아있는 모습이 그래핀처럼 보인다. 산소를 뿌리면 안정된 자리에 앉는다. HCP와 FCC를 만들면서 Oxygen Crystal을 만든다.

3. 단결정 구리네 전자들의 거침없는 하이킥

Ballistic transport in Cu(111) 특정 조건에서 G/B가 없으면 전혀 다른 수송현상을 보여준다. 걸리는 것 없이 직선으로 간다.
fermi surface 물리학에서 사용하는 용어다. G/B 유무에 따라서 전자의 수송현상이 어떤지를 연구했다.

Cu은 천의 얼굴을 가졌다고 한다. Cu가 사실은 더 많은 얼굴을 가지고 있다. 제가 발견한 것은 빙산의 일각이라 생각한다.

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질의응답 시간에 답변한 내용입니다. 

1. 논문의 양보다 질이 중요하다.

제가 교수 시절에 논문을 300편이나 썼다. 하지만 일 년에 논문은 2편을 읽었다. 학생들을 가르쳐야 했다. 논문을 쓰기는 하는데 좋은 논문이 없던 게 부끄럽다. 남의 논문을 안 읽으니 좋은 논문이 나오지 않았다. 논문을 많이 읽으면서 top level이 어떤 일을 하고 있는지 알 수 있다. 세계적인 관심이 oxygen에 대해 질문을 해서 이쪽으로 연구를 하게 되었다.

예전에는 대학원생이 했다면 지금은 직접 한다. 공동연구는 한계가 있다. 연구소에서 자다가 새벽 3시쯤 아이디어가 떠오르면 일어나서 정리하고 잠든다. 은퇴하고 지금은 하루종일 앉아서 논문 읽고 9시부터 7시까지 사무실에 있다. 그래도 재미있다. 아이디어가 하나가 나오면 다음 아이디어가 나오는데 너무 재미있다. 투고를 해보면 영향력이 높은 곳은 질문이 많이 나온다. 투고하고 나서도 다른 논문을 준비하고 있다. 18개의 프로젝트는 동시에 핸들링이 된다.

2. 다결정과 단결정의 역학적인 특성.

단결정은 압력을 가하면 강하지만 당기면 다결정보다 약하다. 면들이 미끄러지는 특성으로 당기는데 약하다. 누르는 힘에는 몇 배가 강해진다. 재미로 단결정으로 은반지를 만든 적이 있다. 단결정 100%로 0.7mm로 만들었는데 절대로 구겨지지 않는다. 동그랗게 하면 단단하다.

3. 특정 방향으로 단결정 만드는 방법.

사파이어 기판에 단결정을 {111}로 증착을 시키고 특정 에너지를 주면 원자가 하나씩 내려온다. {100}으로 맞추면 {100}으로 쌓인다. 기판과 Target의 방향을 정해서 쌓이는 방향을 정한다. 시뮬레이션으로 이론 계산을 하면 실험도 정확히 일치한다. 실제는 50% 수준이다.

4. 반도체에 응용

 Cu 얇은 박막으로 p type으로 만들 수 있다지만 실제로 반도체 적용하기에는 시간이 필요하다. 전자가 너무 많고 Barrier도 필요하다. 5년 정도 소요 예상된다.