구리나노입자의 낮은 레이저 흡수 반응에 의한 광 투과깊이 확장 현상과 그에 따른 구리나노입자의 무산화 동시 소결 반응 원리 개략도 (사진. 한국연구재단)

전자제품에서 볼 수 있는 복잡한 전자 회로. 이 전자 회로를 연결하는 배선은 대부분 구리로 만든다. 현재 구리배선을 친환경적이면서 간단하고, 전자제품 소형에 따라 미세하게 개발해야 하는 난제를 안고 있다. 최근 이를 해결할 수 있는 원천기술이 개발되었다.

한국연구재단은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원을 받은 강봉철 교수(금오공대), 양민양 교수(한국과학기술원) 공동연구팀이 “구리 나노입자에 흡수율이 낮은 광원을 사용하여 누구나 쉽게 다양하고 자유롭게 설계가 가능하고, 치밀하고 전류흐름이 매우 높은 구리 배선을 제작하는 단일 공정 기술을 개발했다.”고 밝혔다.

연구팀은 금속 나노입자에 흡수율이 낮은 레이저 광원을 사용하는 것이 깊고 균일한 소결반응을 일으킬 수 있고 광원도 저렴하기 때문에 보다 효과적일 것이라는 가설을 세우고 연구에 들어갔다.

연구결과, 고순도 구리 나노입자에 저렴한 광통신용 레이저를 사용하여 원하는 부분만 순간적으로 빠르게 녹이고, 응집시켜 누구나 쉽고 자유롭게 설계가 가능하며, 습기가 많은 공기 중에서도 산화 없이 연속적인 미세 구리막을 형성할 수 있음을 실험적으로 밝혔다. 

연구팀이 개발한 구리 배선은 유독한 화학공정과 높은 에너지를 요구하는 공정이 필요 없다는 면에서 친환경적이다. 현재 상용되는 구리 배선은 유독한 화합물질이 포함되어 있거나, 전류소비가 많아 에너지 소비가 높기 때문이다.

연구팀은 이 공정 원리의 실제 산업적인 유용성과 가능성을 살펴보기 위해 스마트 기기용 투명 터치패널 제작에 적용한 결과, 단일층 구리 기반의 눈에 보이지 않을 정도로 매우 미세한 구리선을 만들어 플렉서블 터치 패널 구조를 개발하는데 성공했다. 이는 기존에 희토류를 이용하여 5~6겹의 복잡한 구조로 되어 있는 모바일 기기용 터치패널을 대체할 수 있을 것이라고 연구팀은 설명했다.

강봉철 교수는 “이 연구성과는 단일공정으로 고전도, 고밀도, 고집적의 구리배선을 제작하는 원천기술을 개발한 것이다. 향후 모바일/웨어러블 기기 등의 적용 가능성을 한 단계 높였다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구성과는 재료분야의 국제적 학술지인 케미스트리 오브 머터리얼즈 6월 28일자에 실렸다.

도체와 부도체의 구조

도체와 부도체의 다른 점은 도체 속에는 전기를 운반하는 ‘짐꾼’이 있다는 점이다. 

금속은 원자가 규칙적으로 열을 지어서 결합된 결정(結晶)으로 되어 있으며, 금속을 구성하고 있는 원자 속의 일부 전자는 자유전자라는 상태로 되어 있어서 금속 내를 자유롭게 돌아다닐 수 있다.

각각의 전자는 정해진 값의 (-)전기를 가지고 있으므로 자유전자의 움직임에 따라 전기가 운반된다. 자유전자가 빠져나간 뒤 금속원자는 양이온이 되어 (+)전기를 가지게 되며 이들은 서로 단단히 결합되어 규칙 바르게 줄지어 있고, 열 때문에 진동하게 된다.

금속에 전압을 가하면 제멋대로 운동을 하고 있던 자유전자는 양이온과 충돌을 반복하면서 전체적으로는 서서히 (+)방향으로 이동한다. 한편 부도체는 자유전자를 거의 가지고 있지 않아서 전압을 가해도 전기를 나를 짐꾼이 없기 때문에 전기는 흐를 수 없다.

양이온은 끊임없이 열진동을 하며, 온도가 높아지면 그만큼 진동도 심해져서 충돌회수가 늘어나게 된다. 즉 금속은 온도가 높아지면 전기 저항도 그만큼 증가하게 된다.

결정 속의 원자가 빠져나가거나, 다른 원자가 들어오거나 하면 전자의 움직임도 혼란을 일으켜 전기 저항의 원인이 된다.