국립 부경대학교

부경대 이승훈 교수 공동 연구팀, 녹슬지 않는 검은 구리 개발

- 부경대-부산대-성균관대-미시시피주립대 공동 연구 … <Advanced Materials> 게재

△ 연구 대표 이미지 (a) 다공성 나노 구조 구리 박막의 색상 제어, (b) 무채색 구리의 3차원 공간 이미지와 나노 구조 표면의 투과전자현미경 이미지, (c) 무채색 구리의 다공성에 따른 습윤 특성 변화

국립부경대학교(총장 장영수) 이승훈 교수(물리학과) 공동 연구팀이 녹슬지 않으면서도 회색에서 검은색까지 연속적인 무채색을 구현하는 단결정 구리를 개발했다.

부경대와 부산대, 성균관대, 미시시피주립대 연구진들이 참여한 공동 연구팀은 무채색 구리의 성장 메커니즘과 산화되지 않는 원인, 성장된 구리 표면의 특이성을 이론과 실험을 통해 규명해냈다.

이 연구 결과를 담은 논문 ‘Self-oxidation resistance of the curved surface of achromatic copper’는 세계적 학술지 <Advanced Materials>(IF: 29.4)에 실렸다.

부산대 정세영 교수(광메카트로닉스공학과) 연구팀은 지난해 원자 수준의 평탄면을 갖는 구리(Cu)를 제작하고, 이 구리가 산화되지 않는 메커니즘을 제시해 주목받은 바 있는데, 최근 구리 박막의 성장 조건을 제어해 연한 회색부터 완전한 검은색까지 다양한 무채색을 가지는 구리 성장 기술을 개발했다.

공동 연구팀은 이 무채색 구리의 색상이 나노 구조에 기인하며, 나노 구조 내 기공(pore)의 밀도와 크기, 기공 간의 연결성에 따라 빛을 가두는 정도가 달라지면서 다양한 무채색을 가질 수 있음을 제시했다.

무채색 구리는 나뭇가지 혹은 수상돌기와 형태와 유사한 복잡한 수지상결정(dendrite) 구조로 되어 있음에도 산화가 진행되지 않는다. 수지상결정 구조의 표면이 단일 원자층들의 연속으로 이뤄져 있고 표면의 원자 2~3개 층이 표면장력에 의해 약 20pm(피코미터, 1조분의 1m) 정도로 수축하면서 산화를 일으키는 산소들이 구리 표면층을 통해 침투하기 어렵게 만든다는 것을 알아냈다.

이승훈 교수 연구팀은 이러한 무채색 구리가 가질 수 있는 응용성에 주목했다. 이 교수는 “소수성은 물 분자와 쉽게 결합하지 못하는 성질을 의미하며, 일반적으로 유기물질에서 잘 관찰되는 특성이다. 연잎이 물에 젖지 않는 특성이나 자동차 왁스 코팅이 이러한 특성에 기인한다. 무채색 구리처럼 미세한 기공들이 많은 나노 구조는 높은 소수성 특성을 가질 수 있다.”라고 말했다.

이승훈 교수와 남기득 석사과정생, 박성흠 교수가 참여한 부경대 연구팀은 무채색 구리의 습윤 특성을 조사하고, 후처리를 통해 습윤 특성이 초소수성에서 초친수성으로 매우 안정적이고 가역적으로 스위칭(switching)이 가능하다는 것을 확인했다.

안정적인 습윤성 스위칭 특성은 다른 구리에서는 불가능했으며, 무채색 구리가 가지고 있는 특이한 구조적 특성에 기인하는 것을 밝혔다. 습윤성 스위칭 특성은 액체 방울(droplet) 펌프, 트위저와 같은 마이크로 유체소자뿐만 아니라 유체 필터, 마이크로 어레이/라이브러리 기술 등에 활용될 수 있다. 구리 소재가 자체가 가지고 있는 금속성과 무채색을 만드는 나노 구조체의 빛을 가두는 특성들의 시너지를 통한 다양한 응용이 기대된다.

이 교수는 “소재 제작과 분석, 이론에 이르는 각 분야의 전문가들의 공동 연구를 통해 얻은 성과로, 새로운 소재가 주는 중요성과 흥미를 보여주는 결과.”라고 밝혔다. <부경투데이>

△연구진 사진. (왼쪽부터) 부경대 이승훈 교수(공동 제1저자), 부산대 정세영 교수(교신저자), 성균관대 김영민 교수(교신저자)

Joint research team of prof. Lee Seung-Hun from PKNU developed achromatic copper with preserving oxidation resistance

- joint research between PKNU, Busan national univ., Sungkyunkwan univ., and Mississippi state college

A joint research team with professor Lee Seung-Hun (dept. of physics) from Pukyong National University (President Jang Young-Soo) developed single-crystal copper that does not rust and can achieve continuous achromatic colors from gray to black.

The joint research team, which included researchers from Pukyong National University, Busan national university, Sungkyunkwan university, and Mississippi state college, identified the growth mechanism of colorless copper, the cause of oxidation resistance, and the specificity of the grown copper surface through theory and experiment.

The paper 'self-oxidation resistance of the curved surface of achromatic copper' containing the results of this research was introduced in the world-renowned academic journal <advanced materials> (IF: 29.4).

Last year, professor Jeong Se-Young (dept. Of optics and mechatronics)'s research team at Busan national university attracted attention by producing copper (Cu) with an atomic-level flat surface and suggesting a mechanism to prevent this copper from being oxidized. This time, the research team recently developed a copper growth technology that controls the growth conditions of thin copper films to achieve a variety of achromatic colors from light gray to complete black.

The joint research team suggested that the color of this achromatic copper is due to its nanostructure, and that it can have a variety of achromatic colors as the degree of light confinement varies depending on the density and size of pores within the nanostructure and the connectivity between pores.

Although colorless copper has a complex dendrite structure similar to the shape of tree branches or dendrites, oxidation does not occur. The research team found that the surface of the dendritic structure is made up of a series of single atomic layers, and that 2 to 3 surface layers made of atoms shrink to about 20 pm (picometre, one trillionth of a metre) due to surface tension, making it difficult for oxygen that causes oxidation to penetrate through the copper surface layer.

Professor Lee's research team paid intensive attention to the applicability that this colorless copper could have. He said, "Hydrophobicity refers to the property of not easily combining with water molecules, and refers to a property that is generally observed in organic substances. This characteristic is due to the fact that lotus leaves do not get wet easily and the car wax coating. We thought that nanostructures with many fine pores, such as colorless copper, could have high hydrophobic properties."

By investigating the wetting properties of achromatic copper, the Pukyong National University research team of professor Lee Seung-Hun, Nam Gi-Deuk in his master's program, and professor Park Sung-Heum confirmed that the wetting properties can be switched very stably and reversibly from superhydrophobicity to super hydrophile property through post-processing.

Through this study, they found that stable wettability switching properties were not possible with other coppers and were due to the unique structural properties of achromatic copper. The property of wettability switching can be utilized in microfluidic devices such as droplet pumps and tweezers, as well as fluid filters and microarray/library technologies. Various applications are expected in the future through synergy between the metallic properties of copper materials and the light-trapping properties of nanostructures that create achromatic colors.

Professor Lee said, "This is the result of efforts obtained through joint research by experts in various fields ranging from material production, analysis, and theory, and I believe it is a result that clearly shows the importance and interest of new materials." <Pukyong Today>