붉은색을 띠는 구리는 산화가 되면 청록색이 된다. 미국의 랜드마크인 자유의 여신상이 1886년 완공 직후에는 황동색이었다가 현재는 푸른색을 띠는 이유다. 그렇다면 구리의 색을 더욱 다양하게 만들 수는 없을까.
기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단과 부산대 등 공동연구팀은 산화층에서 그 답을 찾았다. 연구팀은 구리를 원자 단위로 쌓을 수 있는 장치인 ‘원자 스퍼터링 에피택시’를 개발했다. 그리고 0.2nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 두께의 얇은 단결정 구리 박막을 만든 뒤 산화층의 두께를 원자층 수준으로 제어했다.
그 결과 360가지 이상의 총천연색을 띠는 구리를 만드는 데 성공했다. 구리의 산화층 두께에 따라 구리와 산화층 경계에서 반사되는 빛이 각기 다른 파장을 가지면서 나타난 현상이었다.
산화 방향을 제어하는 과정에는 산화-식각(oxide-lithography) 기술이 사용됐다. 산화-식각은 레이저로 특정 영역을 선택적으로 산화시키는 기술이다. 이때 레이저 열에 의한 손상을 최소화하는 것이 관건인데, 연구팀은 구리를 얇은 단결정 박막 형태로 만들어 손상을 최소화했다.
이영희 IBS 나노구조물리연구단장은 “구리를 산화시켜 투명한 p형 산화물 반도체로 활용하는 연구와 산화-식각을 이용해 전혀 다른 방식의 반도체 공정을 개발하는 연구를 추가로 진행할 계획”이라고 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 3월 9일자에 게재됐다. doi: 10.1002/adma.202007345
