부산대학교와 성균관대학교, 미국 미시시피주립대학교, 부경대학교 공동연구팀이 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.

부산대학교(총장 차정인) 광메카트로닉스공학과 정세영 교수 연구팀은 Atomic Sputtering Epitaxy(ASE)법에 의한 구리 박막의 성장과정에서 성장조건을 조절함으로써 성장된 박막이 연한 회색에서부터 완전히 검은색까지의 다양한 무채색을 갖도록 하는 특별한 성장 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 

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.

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. 

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 ‘Self-oxidation resistance of the curved surface of achromatic copper’라는 제목으로 세계적인 재료과학 전문지 『어드벤스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)』온라인판 8월 7일자에 발표됐다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부과 한국연구재단이 지원하는 기초연구실지원사업과 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 부산대 나노과학기술대학 광메카트로닉스공학과 정세영 교수와 성균관대 에너지과학과 김영민 교수가 공동교신저자로, 성균관대 김영훈 박사과정생, 미시시피주립대 김성곤 교수, 부경대 이승훈 교수가 공동제1저자로 참여했다.

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