반도체공학과

인공지능(AI), 6G, 반도체를 둘러싼 기술 경쟁이 국제표준 경쟁으로 번지고 있다. 표준을 선점한 기술이 시장을 주도하는 시대다. UNIST가 연구자의 표준특허(Standard Essential Patent·SEP) 역량을 키우기 위한 첫 교육과정을 열고, 연구성과를 국제표준과 특허 전략으로 연결하는 작업에 나섰다. UNIST 산학협력단은 23일(화) 산학협력관 1층 마켓홀에서 한국특허전략개발원(KISTA) 표준특허센터와 함께 ‘표준특허 인식확산 교육’을 개최했다. 이날 교육에는 교원, 연구원, 학생, 기술이전전담조직(TLO) 관계자, 연구지원 실무자 등 150여 명이 참석했다. 이번 교육은 연구자들이 연구 초기 단계부터 국제표준을 고려해 연구개발 방향과 특허 전략을 세울 수 있도록 돕기 위해 마련됐다. ▲교육에서는 표준특허 개념 ▲기술 분야별 사례 ▲글로벌 기업의 표준특허 동향 ▲표준특허 확보 전략과 사업화 방안 등이 다뤄졌다. 교육에는 원자력 분야 연구자들도 함께했다. 기후에너지환경부 '차세대 원자력 원천기술 창출형 IP-R&D 인력양성' 과제에 참여하는 연구자 20여 명도 교육에 참석해 국제표준을 고려한 연구개발과 표준특허 전략에 대한 이해를 함께 넓혔다. 참여 열기는 예상을 웃돌았다. UNIST는 현장 수용 인원을 넘는 신청자들을 위해 추가 교육장을 마련하고, 이원 중계 방식으로 교육을 운영했다. 현장 참석이 어려운 일부 구성원은 온라인으로 교육에 참여했다. 이번 교육은 국내 표준특허 지원 전문기관인 KISTA 표준특허센터와 UNIST가 공동으로 마련한 첫 표준특허 교육이라는 점에서도 의미가 있다. 연구자와 기술사업화 실무자가 함께 참여해 연구개발부터 특허 확보, 기술이전까지 표준특허 창출·활용의 전 주기를 공유했다. 김영식 산학협력단장은 “표준특허는 기술 경쟁력과 글로벌 산업 경쟁력을 좌우하는 핵심 지식재산”이라며 “이번 교육을 계기로 연구자들이 연구 초기 단계부터 국제표준을 고려한 연구개발을 추진할 수 있도록 지원을 확대하겠다”고 했다. 이어 “UNIST의 우수 연구성과가 표준특허 창출로 결실을 맺을 수 있는 기반을 지속적으로 다져가겠다”고 밝혔다. UNIST는 이번 교육을 시작으로 연구자와 기술사업화 실무자를 대상으로 한 표준특허 교육을 확대하고, KISTA와 표준특허 전략지원 사업, 표준특허 인프라 구축 사업 등 협력 프로그램을 추진할 예정이다.

*본 연구 성과 보도자료는 포항공과대학교 주관으로 작성되었습니다.(바로가기) UNIST 반도체소재부품대학원 김병조 교수와 POSTECH 기계공학과·반도체대학원 안지환 교수 공동 연구팀은 반도체 소자의 성능을 높일 새로운 공정 기술을 개발했다. 스마트폰, 노트북, 슈퍼컴퓨터까지 모든 전자기기에는 데이터를 잠시 저장하는 작은 공간이 필요하다. DRAM과 같은 메모리 반도체 소자가 이러한 역할을 담당하는데, 반도체 소자가 점점 작아지고 더욱 얇은 막으로 제작되다 보니 전기가 새거나 안정성이 떨어지는 문제가 있었다. DRAM 속 커패시터라는 작은 부품은 데이터를 담는 전기 그릇과 같다. 이 그릇이 전기를 잘 저장하려면 전기를 효율적으로 담을 수 있는 ‘고유전막’ 벽이 필요하다. 그 중에서도 ‘알루미늄이 도핑된 산화 티타늄(Al-doped TiO₂, ATO)’은 유전율이 높고, 전류의 누설도 막아줄 수 있는 소재이다. 하지만, 기존 ‘원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition)’ 공정으로 제작할 경우, 도핑된 알루미늄으로 인해 격자 구조의 정렬이 저하되고 산소 결함이 생기면서 소재가 불안정해지고 전류가 새는 문제가 발생했다. [연구그림] 차세대 원자층 공정 모식도 연구팀은 ‘포스트 도핑 플라즈마(Post-Doping Plasma, 이하 PDP) 공정’을 새롭게 도입했다. 원자층 증착된 산화 티타늄 유전막 위에 산화 알루미늄 원자층을 한 층 증착한 뒤, 표면에 아르곤(Ar)과 산소(O₂) 플라즈마(번개처럼 기체가 전기적으로 활성화되어 이온 등 활성종으로 존재하는 상태)를 노출시켰다. 그러자 플라즈마 이온의 운동 에너지가 박막 표면에 전달되어 알루미늄 원자가 유전막 내부로 퍼지고 흐트러졌던 격자 구조의 재정렬을 유발하는 동시에 산소가 부족한 자리도 채워졌다. 마치 전자를 담는 그릇의 벽이 단단하고 매끄럽게 정렬됨과 같은 효과가 일어난 것이다. 실험 결과, 이 공정을 거친 DRAM 커패시터는 전기를 저장하는 능력인 유전율이 약 30% 높아지고, 전류가 새는 양(누설전류)은 최대 40배 가까이 줄었다. 이어, 연구팀은 시뮬레이션을 통해 플라즈마 속 아르곤 이온이 유전막 표면에 에너지를 전달하여 알루미늄 원자가 격자 구조 내 제자리를 찾아가 결정 구조를 재정렬하는 원리까지 밝혀냈다. 이는 단순히 소자의 성능을 높이는 것을 넘어, 원자 수준에서 소재의 움직임과 구조를 이해하고 이를 실제 반도체 제작 공정에서 구현했다는 점에서 큰 학술적/실용적 의미가 있다. POSTECH 안지환 교수는 “이번에 개발한 원자층 공정 기술은 DRAM뿐 아니라 차세대 전자 소자와 에너지 저장 장치에도 폭넓게 활용할 수 있다”라며, “세계적인 반도체 경쟁에서 한국의 기술력을 강화하는 기반이 될 것”이라고 강조했다. UNIST 김병조 교수는 “플라즈마와 물질이 상호작용하는 원리를 원자 수준에서 밝혀낸 것 자체가 의미가 크다”라며, “이번 성과는 글로벌 반도체 경쟁 속에서 우리나라 공정 기술의 경쟁력을 높이는 계기가 될 것”이라고 전했다. 한편, 이번 연구는 극한 제조 분야 최우수 국제 학술지인 International Journal of Extreme Manufacturing에 게재됐으며, 삼성전자, 교육부 대학중점연구소, 산업통상자원부 산업혁신인재성장지원사업, 한국과학기술정보연구원 국가슈퍼컴퓨팅센터 및 UNIST 슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.

반도체공학과가 여름방학 동안 지역 청소년들의 진로 설계에 앞장섰다. 전국 단위 전공 체험 프로그램과 지역 과학 축제를 연이어 열며, 연구실 기술을 청소년의 꿈과 연결했다. 2023년 삼성전자 계약학과로 신설된 이후, 받은 교육적 투자와 사회적 관심을 미래 세대와 나누는 책무를 다하기 위함이다. 그 시작은 지난 8월 14일부터 16일까지 사흘간 펼쳐진 ‘반하다(반도체 하루동안 닿다)’ 프로그램이었다. 반도체 분야에 비전을 품은 전국의 고등학생 75명을 UNIST 캠퍼스로 초청해 학과가 직접 기획하고 운영한 진로 탐색의 장이었다. '반하다' 프로그램에 참여한 청소년들이 실험복을 입고 포토공정 실험을 체험하고 있다. 참가 학생들은 올 초 삼성전자에서 UNIST로 부임한 박한흠 교수가 진행한 특강 ‘반도체란 무엇인가?’를 통해 기초를 다졌다. 이어 재학생 멘토에게 학과 생활을 들으며 각자 미래를 그렸다. 실험복을 입고 포토공정 실험을 체험했고, 첨단 장비가 가득한 연구실도 둘러봤다. 조별 Q&A 시간에는 궁금증을 해소하며 진로에 대한 그림을 완성했다. 전국 14개 고교에서 모인 총 75명의 학생과 11명의 재학생 멘토, 교수·직원이 함께했다. 행사에 참여한 청소년들은 “실험과 투어를 통해 막연했던 진로에 명확한 방향을 찾았다”고 말했다. 캠퍼스 진로 프로그램은 울산 시민 대상 행사로 무대를 넓혔다. 13일 태화강 국가정원에서 열린 ‘2025 울산 청소년활동페스타’에서 학과는 체험 부스를 운영했다. 반도체공학과 재학생들이 울산 청소년활동페스타에서 시민 대상으로 체험 부스를 운영했다. ‘빛을 켜는 과학, 세상을 바꾸는 반도체’를 주제로 열린 부스에는 초·중·고 학생부터 시민까지 발길이 이어졌다. 참가자들은 플라즈마 볼의 전류에 손을 대보고, 머리카락보다 얇은 회로가 새겨진 웨이퍼를 직접 관찰했다. OX 퀴즈, 영상 상영, 굿즈 증정 이벤트까지 더해져, 첨단 과학은 딱딱한 이론이 아닌 일상 속 즐거움으로 다가왔다. 반도체공학과는 이번 여름, 전국 단위 영재 교육과 지역 과학 대중화라는 두 목표를 달성했다. 진로 체험을 통해 전공 매력을 알리고, 청소년에게 탐색 기회를 제공하려는 의지의 결과다. 멘토로 참여한 신진우 학생은 “삼성계약학과 학생으로서 받은 교육 기회를 지역사회와 후배들에게 환원할 수 있어 뜻깊었다”며, “진로를 고민하는 후배들에게 도움이 되기를 바란다”고 전했다. 윤태식 반도체공학과장은 “우수한 교육 인프라와 경험을 사회와 나누는 것은 계약학과의 소명”이라며, “이번 프로그램이 다음 세대에게 실질적인 진로 방향을 제시하는 나침반이 되기를 바란다”고 밝혔다.

강유전체의 불안정한 구조로 여겨졌던 도메인 벽이 오히려 가장 안정적인 상태일 수 있다는 분석이 나왔다. 도메인 벽의 유무에 따라 0과 1의 정보를 저장하는 고밀도 반도체 메모리 소자 개발에 길이 열렸다. UNIST 반도체소재부품대학원 이준희 교수(에너지화학공학과 겸직)팀은 강유전체에서 ‘대전된 도메인 벽’이 가장 에너지가 낮은 상태로 여겨지는 벌크 영역보다 더 안정적으로 존재할 수 있다는 사실을 양자역학 기반 계산을 통해 입증했다고 22일 밝혔다. 강유전체는 외부에서 전기장을 가해 물질 내부의 분극 방향을 바꿀 수 있는 차세대 반도체 소재다. 이 소재 내부에는 서로 다른 분극 방향이 만나는 경계면인 도메인 벽이 형성되는데, 형성에 필요한 에너지가 높고, 일단 생겨도 쉽게 사라져 불안정하다고 알려져 있었다. 이 교수팀은 산화하프늄(HfO₂) 강유전체의 특정 결정 방향에서 형성되는 대전된 도메인 벽(charged domain wall)이 오히려 벌크 영역보다 낮은 총 에너지 상태를 가질 수 있다는 사실을 이론적으로 확인했다. [연구그림] [011] 방향 도메인 벽에서 도핑 비율에 따른 분극 분포 변화 고체물리학 상식에 반하는 이 같은 현상은 ‘음의 구배 에너지’라는 특이한 물리적 성질 덕분이다. 분극 방향이 급격히 바뀌는 도메인 벽에서는 보통 구배 에너지가 양의 값을 가져 벽 형성을 방해한다. 하지만 산화하프늄의 경우, 특정 진동 모드에서 이 에너지가 음수로 바뀌며 도메인 벽이 형성되기 쉬운 조건이 만들어졌다. 이처럼 음의 구배 에너지가 대전으로 인해 생긴 정전기 에너지를 일부 상쇄하고, 나머지 에너지는 도핑을 통해 보상하면, 전체적으로는 벌크보다 더 안정적인 도메인 벽이 형성될 수 있다는 결론이다. 이준희 교수는 “강유전체내 대전된 도메인 벽이 에너지적으로 안정화될 수 있는 조건을 이론적으로 규명한 연구” 라며 “도메인 벽의 유무를 각각 0과 1의 정보로 저장하는 고밀도 메모리 소자 개발에 단서”가 될 것이라고 말했다. 이번 연구는 UNIST의 파완 쿠마르(Pawan Kumar) 연구원과 딥티 굽타(Dipti Gupta) 연구원이 각각 제1저자와 공동저자로 참여했다. 연구 결과는 물리학 분야 최고 권위 학술지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 4월 22일자로 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단, 산업통상자원부 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 이뤄졌다.

M램 반도체의 전력소모와 발열을 잡을 신개념 메모리 소자가 개발됐다. UNIST(총장 박종래) 신소재공학과 유정우 교수팀은 저전력으로 메모리에 데이터를 저장할 수 있는 M램(자성메모리) 소자 구조를 제안하고 이를 실험적으로 입증해내 국제학술지 네이처 커뮤니케이션에 지난 10일 게재했다. M램은 낸드플래시와 D램의 장점을 고루 갖춘 차세대 메모리다. 낸드플래쉬처럼 전원을 꺼도 데이터가 날아가지 않는 비휘발성을 지니며 D램 수준으로 속도가 빠르다. 안전성과 빠른 데이터 읽기, 쓰기가 필요한 분야에서는 일부 상용화됐다. 이 M램은 메모리에 데이터를 쓰고 지울 때 전류를 사용한다. 메모리 소자를 구성하는 두 개 자성층의 자화 방향이 서로 평행일 때는 저항값이 작고 반평행 상태일 때는 저항값이 높아져, 각각의 평행 반평행 상태에 따라 0과 1의 데이터로 저장하는 방식이다. 자성층 자화 방향을 바꾸는 데는 문턱전류 이상의 전류를 흘려야하며 이때 발생하는 전력 소모와 발열이 문제였다. [연구그림] 신개념 비휘발성 스핀 메모리 소자의 작동 원리 개념도 반면 연구팀이 개발한 메모리 소자는 전압 펄스만으로 메모리에 정보를 쓸 수 있다. 이 소자는 그래핀이 자성절연체인 이트륨 철 가넷과 강유전체인 PVDF-TrFE 사이에 끼어 있는 구조인데, 전압 펄스를 가하면 그래핀에 흐르는 전류 방향이 바뀐다. 이 방향에 따라 0과 1을 저장한다. 개발된 메모리 소자에는 역에델스타인 효과, 강자성공명 현상 등과 같은 물리 이론이 적용됐다. 자성절연체의 강자성공명으로 그래핀에 주입된 스핀전류가 역에델스타인 효과에 의해 전하전류로 변환되는 원리다. 전류 방향은 강유전체에 전압펄스를 줘서 바꿀 수 있다. 전압펄스가 강유전체의 극성을 바꾸면 그래핀의 페르미 준위가 이동하기 때문이다. 페르미 준위에 따라 그래핀에 흐르는 전류 방향이 바뀌게 된다. 유정우 교수는 “발열과 에너지 소모를 획기적으로 줄이고 기하급수적으로 늘어나는 AI 반도체 소자의 전력 소모 문제를 해결할 수 있는 단초를 제공한 연구”라고 설명했다. 이번 연구에는 UNIST 신소재공학과 최종현 박사가 제1저자로 참여했으며 UNIST 신소재공학과 출신 박정민 박사(KAIST 소속)와 연세대학교 김경환 교수와 KIAS 소속 김충현 박사 등이 참여했다. 연구수행은 한국연구재단 차세대지능형반도체기술개발사업과 나노 및 소재 기술개발사업 및 기초연구사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

UNIST가 IEEE, EDS, 한국반도체디스플레이기술학회와 함께 차세대 반도체 기술 발전을 위해 국내외 전문가들과 머리를 맞댔다. 반도체 소재·부품 대학원이 주관한 The 22nd Non-Volatile Memory Technology Symposium(이하 ‘NVMTS 2024’) 국제학회가 20일(일)부터 23일(수)까지 부산 파라다이스 호텔에서 개최됐다. 이번 행사에는 국내외 전문가들이 모여 새로운 반도체 기술의 미래를 모색했다. 10월 20일부터 나흘간 'NVMTS 2024' 학회가 열렸다. l 사진: 반도체 소재ㆍ부품 대학원 학회에는 250여 명의 국내외 석학과 삼성전자, SK하이닉스, 미국 마이크론 등 주요 기업 전문가로 구성된 국제 연사 35명이 참석했다. 이들은 Flash, MRAM, PCRAM, RRAM, FeRAM 등 차세대 반도체 소자에 대한 발표를 진행했다. 더 빠르고 효율적인 메모리를 개발하기 위한 새로운 공정과 시스템 응용 방안을 제시했다. ‘NVMTS 2024’ 학회 참가자들은 기업 부스에서 최신 반도체 기술을 직접 체험했다. 관련 전공 학생들의 연구 결과를 소개하는 ‘포스터 세션’도 열렸다. 미래를 이끌 인재들이 아이디어를 공유하며 열띤 토론을 펼쳤다. 정홍식 교수가 'NVMTS 2024'에서 환영사를 전하고 있다. l 사진: 반도체 소재·부품 대학원 정홍식 반도체 소재·부품 대학원 교수는 환영사에서 메모리 산업이 직면한 기술적 한계를 강조했다. 그는 “오늘날 메모리 산업에서 반도체 성능이 일정 기간마다 두 배로 향상된다는 무어의 법칙이 한계에 이르렀다”며 “이번 학회는 학계와 업계의 최첨단 연구를 바탕으로 새로운 비휘발성 메모리 기술로 이러한 과제를 극복할 기회”라고 말했다.

UNIST와 SK하이닉스가 손잡고 차세대 반도체 기술 개발에 나섰다. 23일(화), 반도체 소재·부품 대학원은 해동홀에서 'UNIST-SK하이닉스 신소재 기반 반도체 연구센터 Cluster 산학 연구 Kick-off Workshop’을 개최했다. SK하이닉스는 Cluster 과제 수행을 위해 3년간 총 13억 2천만 원을 지원할 예정이다. 워크숍은 SK하이닉스 클러스터 산학과제 추진 배경 설명으로 시작했다. 이어 세부 과제 소개와 과제별 심화 미팅이 진행됐다. Cluster 산학 연구는 세계적인 역량과 인프라를 갖춘 거점 대학/연구자를 선정한다. 연구기관 특성과 강점 분야를 중심으로 한 '거점 기술센터'에서 특화된 연구를 수행하게 된다. UNIST-SK하이닉스 신소재 기반 반도체 연구센터는 UNIST 반도체 소재·부품 대학원의 강점을 활용해 차세대 반도체 소재와 공정 연구에 집중할 계획이다. 김성엽 공과대학장은 "이번 워크숍은 UNIST의 세계적인 반도체 연구 역량을 입증하는 중요한 기회였다"며 "차세대 반도체 관련 산학 연구와 인재 양성을 동시에 이루어낼 것"이라고 강조했다. 그는 또한 "이번 협력이 대학과 기업뿐만 아니라 우리나라 반도체 산업 발전에 크게 기여할 것"이라고 덧붙였다. 김춘환 SK하이닉스 부사장은 “앞으로 두 기관은 차세대 반도체를 위한 공정 기술 및 소재 개발, 산학 기술 교류회, 핵심 인재 양성에 주력할 예정”이라고 밝혔다.

차세대 반도체로 주목받고 있는 2차원 반도체는 불과 단일 원자층 수준의 두께로 인해 단위 부피 당 광특성이 매우 우수하고 유연하기까지 하다. 이러한 특성을 활용하면, 첨단 유연 소자(flexible device), 나노광소자, 태양전지 등 다양한 분야에 응용이 가능하다. 2차원 반도체의 주요 반도체광학 특성 중 전자-정공이 쌍을 이루는 엑시톤(exiton)이 있다. 이들의 생성 및 재결합 과정을 이용하여 발광소자 및 광응용소자를 구현할 수 있는데, 이 과정에서 극성 엑시톤인 트라이온(trion)의 생성 및 정밀 제어는 소자에 많은 기능성을 제공한다. POSTECH(포항공과대학교) 물리학과 박경덕 교수·통합과정 강민구 씨, 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료연구단 부연구단장 및 UNIST 화학과 서영덕 교수, 충북대 물리학과 이현석 교수 공동연구팀은 금 나노와이어 기반의 탐침증강 공진분광 시스템을 자체 개발하여 엑시톤과 트라이온의 상호변환을 능동제어하고 실시간 발광특성 분석이 가능하게 하였다. 이를 통하여 그동안 알려지지 않았던 트라이온의 생성원리를 규명하는데 성공했다. 금속과 반도체를 결합하면 새로운 광학적 · 전기적 특성을 가진 다기능 이종접합소자를 개발할 수 있다. 연구팀은 금 나노와이어에 2차원 반도체인 이셀레늄화 몰리브덴(MoSe2)단일층을 결합해 복합 구조를 만들고, 탐침증강현미경과 결합하여 탐침증강 공진분광 시스템을 구축했다. 잘 디자인된 금 나노와이어 구조에 빛을 쏘이면 플라즈몬의 표면 정상파를 구현할 수 있다. 연구진은 이를 이용해 2차원 반도체의 엑시톤으로부터 트라이온으로의 변환을 유도하려고 하였는데, 실제로는 전하의 다중극 모드도 큰 영향을 준다는 것을 이번 실험을 통하여 규명할 수 있었다. 탐침증강 공진분광 시스템은 광 회절한계를 뛰어넘는 약 10 nm의 공간분해능으로 반도체 입자들에 대한 나노광특성의 실시간 분석을 가능하게 한다. 이러한 시스템을 이용하여 트라이온의 생성 원리를 규명하고, 엑시톤-트라이온 상호변환의 가역적 능동제어를 가능하게 하였다. 또한, 나노 크기의 영역에 빛을 집속할 수 있는 안테나 역할의 금 탐침은 에너지가 높은 열전자를 자체 생성하게 되는데, 이렇게 생성된 전자들이 2차원 반도체로 주입되어 보다 능동적으로 트라이온 생성을 조절할 수 있었다. 이렇듯 연구진은 단순 고정밀 측정장비의 개발이 아니라 측정과 더불어 물질의 상태까지 초고분해능으로 실시간 능동제어할 수 있는 새로운 ‘나노 능동제어 플랫폼’을 제시하였다. 이번 연구의 제1 저자인 강민구 씨는 “엑시톤과 트라이온을 제어하는 데 성공했을 뿐 아니라 이 입자들이 플라즈몬, 열전자와 어떻게 상호작용하는지의 원리를 규명했다”며, “태양전지, 광전 집적회로 등 엑시톤과 트라이온을 활용하는 분야의 연구자들에게 새로운 돌파구를 제시할 수 있을 것이다”라는 말을 전했다. 한편, 본 연구는 충북대 물리학과 김수진 씨, POSTECH 물리학과 통합과정 주희태, 구연정, 이형우 씨 등이 참여했다. 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부, 한국전자통신연구원, 삼성미래기술육성사업, 과학기술사업화진흥원, 한국화학연구원, UNIST, 기초과학연구원(IBS) 등의 지원으로 수행됐다. (이 보도자료는 POSTECH에서 제공하였습니다.)

얼마전 대통령의 네덜란드 국빈방문시 들렀던 반도체 설비 제작사 'ASML'이 화제가 된 바 있다. 얼마나 대단한 회사이면 네덜란드 국왕과 한국 대통령이 같이 소위 토끼복이라 불리우는 방진복을 입고 직접 클린룸까지 견학하게 됐을까. 이 회사는 세계에서 유일하게 최첨단 반도체에 사용되는 EUV( Extrem Ultra Violet, 극자외선 ) 파장의 노광기를 생산하는 업체다. EUV 없이는 첨단 기술의 반도체를 생산하는 것이 불가능하니 그야말로 핵심소재다. 현재 미국이 대중국 제재로 EUV설비의 수출을 금지한 이유도 여기에 있다. 무어의 법칙을 따르는 차세대 반도체는 더 많은 반도체 소자들을 집적하기 위해 반도체 회로의 선폭을 축소하는 기술이 필요로 하는데, 그것이 바로 리소그래피( Lithography, 노광 )기술이다. 노광기에 사용되는 광의 파장이 더 짧을수록 해상력이 좋아져서 더 작은 패턴을 구현할 수 있다. EUV 노광기는 광원으로 파장( wave length )이 13.5나노인 극자외선(EUV)을 사용하는데, 전세대 설비인 193나노의 파장을 사용하는 ArF (아르곤 플로라이드)노광기 보다 더 미세한 패턴닝이 가능하다. 현재 최첨단 반도체인 5나노, 3나노급 반도체를 만들기 위해서 꼭 필요한 설비다. 이 EUV 리소그래피는 지난 1980년대부터 반도체인들이 미래에 언제간 닥쳐올 패턴닝의 한계를 극복하기 위한 염원해왔던 기술의 집약체다. 미국과 유럽의 창의적이고 개방적인 기술 및 비즈니스적 협력과 선두 반도체 칩제조사들의 과감한 투자와 적용에 의해 개발된 합작품이다. EUV는 거의 40년전인 1986년 일본 NTT 연구원이었던 기노시타 히로오가 일본 응용광학학회에서 처음 발표하면서 학계에 알려졌다. 당시 반도체에서 선두를 달리던 일본을 이기기 위해 80년 후반기 미국에서는 미정부의 지원 하에 국립 연구소들이 프로토타입을 연구를 하고 있었다. 1990년 초반에는 인텔 등 미국 칩제조 회사의 지원과 참여로 발족한 EUV LCC이라는 회사에서 공동개발이 진행되기도 했다. 이후 미국정부 지원하의 개발회사에 유럽의 ASML이 1999년에 합류하고, 미국의 유일한 노광설비 회사이었던 SVGL을 2001년에 인수하면서 본격적으로 EUV 프로젝트가 시작됐다. 또 독일의 유명한 광학 회사인 칼자이스(Karl Zeiss ) , 선박 철판 절단용 레이저설비로 유명한 Laser Tech과의 협력 관계가 구축되고 EUV 광원 Source를 만들 수 있는 유일한 미국 회사인 Cymer를 2013년에 인수하면서 분업체계가 형성됐다. 여기에 2013년부터 삼성, Intel및 TSMC가 공동 투자로 참여하고 상용화 연구를 같이 했고, 2010년에는 첫 실험기가 삼성의 연구소에 설치됐다. 그후 오랜 우여곡절의 세월 끝에 2019년 휴대폰에 들어가는 Chi이 세계 최초로 생산됐고 EUV시대도 서막을 올렸다. 당시 필자가 총 책임자 역할을 맡아 개발한 삼성전자 7나노 로직공정에 EUV 설비와 관련 기술이 적용된 것이었다. <본 칼럼은 2024년 1월 18일 울산경제신문“반도체 전쟁의 핵심 무기, 'EUV 리소그래피’"라는 제목으로 실린 것입니다. >

물리학과 윤훈한 동문이 GIST(광주과학기술원) 전기전자컴퓨터공학부 반도체공학과 교수로 임용됐다. 윤훈한 동문은 2010년 UNIST 전기전자컴퓨터공학부에 입학해 학사학위를 받은 뒤 자연과학부 물리학과 박기복 교수 연구실에서 지난 2020년 박사학위를 받았다. 핀란드 알토대학교 박사후 연구원, 삼성전자 파운드리사업부 책임연구원 등을 거쳐 지난해 12월 GIST 교수로 부임했다. 윤훈한 동문은 서면 인터뷰에서 박사학위 지도교수였던 박기복 교수와 UNIST에 대한 감사를 전했다. 또 후배들에게는 다학제 협력 연구의 중요성을 강조하고, 조급함을 갖지 않기를 주문했다. 독자적인 연구로 학계에 영감을 주고 싶다는 포부를 밝힌 윤훈한 동문을 1문 1답으로 만나봤다. Q. 자기 소개를 부탁드립니다. 안녕하세요. 광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부 반도체공학과 조교수로 임용된 윤훈한입니다. 저는 2010년 UNIST에 입학하여 전자전기컴퓨터공학부 소자물리를 주전공으로 2013년 졸업했고, 자연과학부 물리학과에서 2020년 박사학위를 받았습니다. 졸업 후 핀란드 알토대학교 전자및나노공학과 및 핀란드학술원 펠로우 박사후연구원, 삼성전자 파운드리사업부 책임연구원을 거쳐 2023년 광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부 반도체공학과에 임용됐습니다. Q. 임용 소감을 한 말씀 해주신다면? 먼저 학부 및 대학원 전 기간에 걸쳐 거의 10년 가까이 저를 지도해주신 물리학과 박기복 교수님께 깊은 감사의 인사를 드리고 싶습니다. 교수님께서 항상 밝은 미소로 부족한 점이 많은 저를 세심하게 이끌어주신 덕택에 저는 제 장점을 강화하고 단점을 보완하면서 뜻깊은 시간을 보낼 수 있었습니다. 교수님의 진심 어린 조언과 꼼꼼한 지도가 없었다면 지금의 제가 없었을 것입니다. UNIST에서 수업, 공동연구, 논문심사, 연구 및 행정 지원 등 이루 나열할 수 없을 정도로 많은 분께 가르침과 도움을 받았습니다. 제 인생의 거의 3분의 1 정도를 UNIST와 함께 해오면서 UNIST의 눈부신 발전을 직접 목격할 수 있었는데요, 제 자신도 동반성장 하면서 진정한 질적 연구의 즐거움을 깨닫고 큰 학문적 성취감을 느낄 수 있었습니다. 학비 걱정 없이 지속적으로 학문적 흥미를 불러일으키는 좋은 환경에서 공부할 수 있었던 덕택이라 생각합니다. 또 UNIST에서 참여한 여러 학생 및 동아리 활동 덕분에 대학생활이 즐거운 추억으로 가득 찰 수 있었고 이를 통해 세상을 바라보는 눈을 달리할 수 있었습니다. UNIST의 발전과 학생 복지를 위해 노력해주신 교직원 및 관계자 모든 분들께 진심으로 감사드립니다. 그동안 UNIST를 통해 받아온 만큼 앞으로 제가 가진 역량을 십분 발휘하도록 최선을 다하겠습니다. 교육자로서 모범이 되고 연구자로서 인류의 삶에 공헌할 수 있는 과학기술을 추구하며 우리 사회에 이바지하도록 하겠습니다. 박기복 교수(좌단)와 함께한 윤훈한 박사(중앙) Q. 교수님의 연구 분야를 소개해주세요. 간단하게 인공지능 반도체와 양자 컴퓨팅 하드웨어를 위한 반도체 소자 연구로 요약할 수 있습니다. 우리는 하이퍼 무어의 법칙 속 새로운 시대에 살고 있습니다. 소자 구조 크기를 줄이거나 트랜지스터 수를 늘리는 전통적인 접근 방식을 넘어 주어진 설치 공간 내에서 정보 밀도, 데이터 처리 용량, 에너지 효율을 모두 높여야 하는 반도체 기술이 필요한 시대입니다. 이에 맞춰 저희 연구실은 최첨단 실리콘 반도체 기술을 넘어서는 소자 연구에 중점을 두고 있습니다. 인공지능 반도체와 양자 컴퓨팅 하드웨어에 적용될 수 있는 저희 소자의 제조 공정을 CMOS 공정 내에 통합하는 원천 기술을 개발하고 이를 통해 모놀리식 칩, 즉 하나의 기판 내에 회로 간 모든 소자가 상호 접속 부분을 형성한 단일 반도체 집적 회로 칩을 구현하는 것이 궁극적 목표입니다.다양한 양자 물질들의 물성과 물질들 간 접합 계면에서 발현되는 독특한 현상을 탐구하고, 이를 기반으로 한 소자의 제작 및 특성화 그리고 실제 응용 연구를 하게 됩니다. 세부적인 연구 분야는 크게 4가지: 인공지능 센서 (초소형 분광기, 광자 증폭 광 검출기, 열 복사파 및 비냉각 적외선 감지기), 모어 댄 무어 소자 (위상 절연 유전체, 다진법 논리 게이트, 광전자 시냅스 소자), 전자 양자 광학 (양자점 접촉, 탄도 전하 수송 및 궤적 제어, 초격자 시준기, 전자 간섭계), 양자 상전이 (반데르발스 조셉슨 접합, 손대칭 전하 밀도 파동 및 표면 근접 효과, 마요라나 페르미온)입니다. 이들 기술은 자율주행 (인공지능 알고리즘 기반 데이터 처리 및 분석 기능 내장 센서), 빅데이터 (빛의 속도로 인코딩되는 다진법 논리 게이트), 초연결 (칩 내 및 칩 간 광전자 네트워크), 하이브리드 큐비트 플랫폼 (전자 간섭계와 혼합된 초전도 접합) 분야에 핵심 기술을 제공할 수 있습니다. 더 자세한 내용은 양자 물질 계면 및 나노 소자 연구실 홈페이지를 통해 확인하실 수 있습니다. (https://sites.google.com/view/q-mind-lab) Q.학문적 또는 전문적인 성장을 위해 후배들에게 해주실 조언이 있나요? 첫째, “빨리 가려면 혼자 가고, 멀리 가려면 함께 가라”는 말을 기억하고 학제의 경계를 넘어 여러 분야를 아우르며 교류하고 소통하시길 바랍니다. 각자 분야에서 뛰어난 서로가 자신을 낮추고 다른 이를 존중하면서 긴밀한 협업을 거치면 훨씬 더 나은 결과를 도출될 수 있음을 꼭 경험해보세요. 혼자서 해결하지 못하는 일이 닥치면 주변 사람들의 조언과 도움을 구하여 필요할 경우 함께 해결할 수 있는 방향을 모색하시기 바랍니다. 또한 도움 받은 것을 잊지 않고 감사한 마음을 전하며 더 크게 보답하여 협력적인 관계를 유지한다면 주변의 응원과 협조를 얻는 기회가 많아지고 혼자서는 해내지 못할 일들을 해내실 수 있습니다. 또한, 학업과 연구에 몰입하는 선후배 및 동기 친구들을 가까이 하시기 바랍니다. 그 분들의 방식을 맹신하시거나 무작정 따라하실 필요는 없지만 자신에게 부족하거나 아쉬운 점을 발견하게 해줄 귀한 스승이 되어 줄 것입니다. 둘째, 우수한 성과를 얻고 있는 선후배 및 동기 친구들을 부러워하거나 스스로 조급해하지 마세요. 세계를 무대로 경쟁자는 수도 없이 많기 때문에 어차피 누군가는 잘 될텐데 내가 모르는 사람보다 아는 사람이 잘 되는 것이 내 자신에게도 더 좋은 일이더라고요. 그러니 부러워 말고 기쁘게 박수를 쳐주세요. 꽃피는 시기가 저마다 다르니 내 꽃을 피워낼 토양을 마련하는데 온전히 집중하시길 바랍니다. 지나고 보면 의외로 사소한 요소들이 모여 큰 역량 차이를 만들기 때문에 다시는 돌아오지 않을 배움의 시간이 가장 소중하게 느껴집니다. 셋째, 창의성과 도전정신을 함양할 수 있는 다양한 경험을 해보시길 권장드립니다. 학문의 개념적 틀을 잘 정립할 수 있도록 학업을 게을리 하면 안 되지만 연구를 위한 통찰력과 원동력은 학문 외적 요소를 통해 발현되는 경우가 많았던 것 같습니다. 넷째, 순간적인 대응력이 부족할지언정 항상 여유를 갖고 유연하게 대처해야 합니다. 대학 입시를 거치면서 문제를 빨리 풀고 상황에 빨리 대응하는 것에 익숙하지만 연구는 이와 달라서 문제 상황에 적합한 최선의 대응 방식이 항상 다변화합니다. 동일한 방법을 고수하기보다는 새롭고 다양한 방법을 모색하는 것이 예상치 못한 발견으로 이어질 수 있습니다. 한 발짝 물러나서 적재적소에 필요한 역할을 고민하고 맡은 바 책임을 다해 확실히 마무리 짓다 보면 과학적 우연의 산물이 나에게 찾아올 때를 경험하실 수 있습니다. 다섯째, 실패가 성장의 기회와 발전의 촉매로 작용할 수 있습니다. 실패는 선택이 아니라 필수라는 말처럼 논문을 투고하거나, 연구 제안서를 제출하거나, 구직 면접을 보는 여러 과정 속에서 수많은 실패를 경험합니다. 익숙해지기 쉽지 않지만 순간적인 어려움에 직면하더라도 부지기수의 도전과 실패를 겪더라도 이를 기꺼이 받아들이세요. 대신 무작정 버티는 것은 능사가 아니니 인내와 끈기를 현명하게 발휘하시길 바랍니다. 실패를 바탕으로 자신을 더 갈고 닦다 보면 나중에 실패한 이유를 불현듯 깨닫게 될 때가 많습니다. 부단히 노력한다면 반드시 더 나은 결과를 창출해내실 수 있을 겁니다. 여섯째, 학업과 연구에 전념하신다면 그에 걸맞은 내 자리가 있다고 확신하시기 바랍니다. 그리고 그 확신을 필연으로 바꾸기 위한 노력을 게을리하지 마세요. 살면서 겪는 수많은 우연들이 필연적인 조건으로 작용하는 순간을 경험하실 것이라 믿습니다. 바로 저처럼요. 마지막으로, 지금 이 순간을 즐기세요. 저로서는 UNIST 선후배 및 동기 친구들과 밤새 열띤 토론을 벌이고 함께 고민하면서 다양한 생각을 받아들이는 일련의 경험들 자체가 큰 배움의 과정이었습니다. 파도가 바위를 깎는 것처럼 UNIST에서의 일상과 습관의 흐름은 거대한 파도가 되어 저를 조각해왔고 UNIST에 대한 주인의식도 갖게 되었습니다. UNIST에서 보낸 시간은 저에게 잊지 못할 추억이고 UNIST에서 보낸 시간이었기에 정말 행복했습니다. 여러분도 지금 그 행복을 만끽하세요! Q. 앞으로의 계획이나 장기적인 목표 등에 대해 한 말씀 부탁드립니다. 임용 직후이다보니 당장 제가 가장 신경을 쓰고 있는 것은 초창기 연구실로서의 기반 마련입니다. 2017년 3월 과학동아에 "꿈의 연구실에서 만든 꿈의 다이오드"라는 제목의 기사를 통해 제 학위과정 연구실이 소개된 적 있습니다. 지도교수님이신 박기복 교수님께서 조성해주신 연구 환경과 연구실 분위기는 정말 이상적이었기에 이를 본받아 제 학생들에게도 그러한 경험을 선사할 수 있는 지도교수가 되는 것이 현재 최우선 목표입니다. 또한 교수님께서 저를 학부연구생으로 연구실을 구축하는 과정에 참여할 수 있도록 배려해주신 덕택에 아이디어를 직접 실험적으로 구현할 수 있는 능력을 기를 수 있었는데요. UNIST에서의 이러한 배움의 기반이 핀란드 알토대학교에서 재능과 열정이 넘치는 연구자들과의 공동연구 과정에서 큰 밑거름이 되었고, 운이 좋게도 최고 권위의 과학 저널인 사이언스(Science) 지에 논문을 출판할 수 있었습니다. 앞으로 이에 준하는 훌륭한 연구성과를 더 달성해내는 것이 중장기적인 목표이고, 언젠가 제 연구실에서 오롯이 주도한 연구가 많은 분들에게 영감을 드릴 수 있도록 하는 것이 최종 목표입니다.