이달의 과학기술인상 12월 수상자로 이관형 서울대 재료공학부 교수가 선정됐다.
과기정통부와 연구재단은 2차원 반도체를 대면적으로 합성할 수 있는 혁신 기술인 '하이포택시' 공정을 개발해 차세대 인공지능(AI) 반도체 발전의 기반을 마련한 이관형 교수를 수상자로 선정했다고 3일 밝혔다.
'이달의 과학기술인상'은 최근 3년간 독창적인 연구 성과를 창출해 과학기술 발전에 크게 기여한 연구자를 매월 1명 선정해 부총리 겸 과기정통부 장관상과 상금 1000만원을 수여하는 상이다.
기존 실리콘 반도체는 성능을 높일수록 전력 소모와 발열이 커지는 한계를 안고 있다. 이에 대한 대안으로 등장한 것이 2차원 반도체다. 2차원 반도체는 원자 몇 층 두께에 불과한 초박막 소재로, 전자가 흐를 때 저항이 작고 열 발생도 적어 차세대 AI 반도체에 적합한 소재로 평가된다.
하지만 상용화의 가장 큰 걸림돌은 제조 공정이었다. 2차원 반도체는 넓은 면적에 결함 없이 한 장의 단결정으로 키우기 매우 까다로워 소규모 실험실 수준을 넘어 대량 생산으로 이어지기 어려웠다.
이에 이 교수 연구진은 반도체 성장 방향을 뒤집은 새로운 개념의 공정을 개발했다. 기존 반도체 제조는 기판(바닥) 위에 원자를 차곡차곡 쌓아 올리는 방식이 일반적이지만, 이 방법으로는 2차원 반도체를 큰 면적으로 균일하게 만들기 어려웠다. 이 교수는 사고를 전환해 아래에서 위로 자라는 방식이 아니라, 위에서 아래로 결정 성장을 유도하는 방법을 고안했다.
이 공정의 가장 큰 장점은 기판 조건에 크게 영향을 받지 않는다는 점이다. 기존 방식으로는 단결정 성장이 어려웠던 비정질 이산화규소나 금속 기판 위에서도 높은 품질의 2차원 반도체를 제조할 수 있다.
실제로 이 교수 연구진은 개발한 기술로 4인치 웨이퍼 전면에 단결정 이황화몰리브덴 박막을 균일하게 제작하는 데 성공했다. 또 금속 박막 두께 조절만으로도 2차원 반도체의 층수를 자유롭게 제어할 수 있음을 확인해, 다양한 전자 소자 설계 가능성도 넓혔다.
특히 세계 최고 수준의 전기적 성능을 확보했을 뿐 아니라, 기존 반도체 제조 공정과의 호환 가능성까지 확인했다는 점에서 큰 의미를 가진다. 여러 종류의 2차원 반도체 물질에도 폭넓게 적용될 수 있음이 확인됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처'에 지난 2월 실렸다.
이 교수는 "처음 연구는 기존 이론과 완전히 반대되는 결과에서 출발했다. 실패한 실험도 그냥 넘기지 않고 집요하게 다시 들여다보는 자세가 결국 좋은 성과로 이어졌다"며 "앞으로 실리콘 이후 시대를 이끌 새로운 반도체 플랫폼을 우리 손으로 직접 설계하고 구현해보고 싶다"고 밝혔다.