미래 반도체 산업을 선도하다
 

Join between Experiment and Theory (J.E.T)

우리 대학교 대학원과 미래융합연구원은 다양한 전공의 대학원생들이 모임과 협력을 통해 창의적인 역량을 배양할 수 있도록 ‘Junior 융합 연구그룹’을 모집해 융·복합 사고 역량 강화를 위한 도전적인 연구에의 관심을 지원하고 있다. 본 프로그램을 통해 다양한 전공의 학생들이 함께 연구함으로써 융합연구 문화의 기반을 조성할 수 있을 것으로 기대된다.

<연세소식>에서는 지원 대상자로 선발된 대학원생 연구팀을 만나 학생들의 연구 아이디어를 직접 들어보는 시간을 마련했다. 이번 호에서는 ‘zinc Tantalum tin oxide’를 연구하고 있는 이이삭(전기전자·석박통합 3학기), 이윤재(신소재·석박통합 3학기), 민원경(석박통합·2학기)씨 를 만나 연구 이야기를 들어봤다.

Q. Join between experiment and theory팀은 어떤 팀인가요?

윤재) 저희는 팀명에서도 알 수 있듯, 이론과 실제 실험을 함께 하는 팀이에요. 제가 컴퓨터 계산 프로그램을 통해서 예측을 하면 이삭이가 실제로 시행해보죠.

이삭) 윤재와 저는 고등학교때부터 친구에요. 학교도 같이 다니게 돼, 연구에 대한 얘기를 상당히 많이 해왔죠. 근데 이런 주니어 융합연구 프로그램이 있다는 소식을 듣고 우리가 할 수 있는 연구를 해보기로 했어요. 함께 학문적인 깊이를 함께 키울 수 있는 기회라고 생각했거든요. 원경이는 저희 연구의 객관성을 확보해줄 수 있는 사람이라고 판단해 영입하게 됐어요.

Q. 연구에서 사용하는 실험체인 산화 탄탈럼은 무엇인가요?

A. 저희는 산화 탄탈럼(Ta2O5,Tantalum pentoxide)를 연구해요. 탄탈럼(Ta)은 전자기기 속 반도체 소자에 많이 쓰이고 각광받는 물질이에요. 화학적 안정성도 텅스텐 다음으로 높기 때문에 내구성있는 물질을 만들 수 있죠. 이런 탄탈럼이 산소와 결합한 것이 산화 탄탈럼이구요. 저희가 산화물 중에서도 탄탈럼을 선택한 이유는 연구가 많이 이뤄지지 않았다는 것과 물질이 갖는 내구성과 전기적 특성 때문이었어요.

Q. 연구 주제가 중간에 변했다고 들었는데 그 이유는 무엇이었나요?

A. 원래 연구 대상은 삼산화 탄탈럼이었어요. 그런데 산화 탄탈럼으로 돌린 데에는 반도체 향상의가능성을 탄탈럼에서 발견했기 때문이에요.

반도체에는 3가지 주요 요소가 있어요. 반도체가 작용하는 층, 전극, 절연체가 그 구성요소에요. 저희는 그중에서도 삼산화 탄탈럼을 통해 절연체를 만들려고 했어요. 그런데 연구를 진행해보니 탄탈럼의 다른 가능성을 발견하게 됐어요. 반도체 층에 직접 적용할 수 있다는 걸 발견한 거죠.

반도체에서 가장 중요한 것은 반도체가 작용하는 반도체층이에요. 눈으로 봤을 때 성과가 확연하게 나타날 수도 있고, 연구 성과적를 봐도 반도체에 탄탈럼을 활용하는 게 좋을 것 같다고 판단했어요. 더 효율적이고 즉각적인 반도체 성능 향상에 도움을 줄 수 있을 거라고 생각했거든요.

Q. 그렇다면 변화한 연구의 목적은 무엇인가요?

A. 저희 연구는 산화 탄탈럼을 이용해 성능이 향상된 반도체 설계를 목적으로 해요. 반도체는 일종의 스위치 역할을 해요. 요즘 나오는 OLED TV에서 OLED가 발광하는 물질이면, 이 발광을 조절하는 역할을 반도체가 하는 거라고 볼 수 있어요. 이런 반도체의 성능을 향상시킨다는 말은 적은 전력으로도 작용할 수 있게 된다는 말이에요. 즉, 더 적은 전류를 쓰고도 같은 성능을 내는 저전력 반도체가 성능이 향상된 반도체라고 볼 수 있죠. 작은 전류로도 0과 1이라는 신호를 분간할 수 있기 때문이에요. 핸드폰과 같은 기기의 발열을 줄이는 것도 저전력 반도체 덕분에 가능해요. 실제로 LG전자에서도 산화물 반도체를 갖고 OLED TV를 만들고 있기도 해요.

저희는 탄탈럼을 이용하면 저전력 반도체를 만드는 게 가능하다고 생각했고, 그걸 연구하는 중이에요. 빛을 받았을 때 반도체층이 전기적 신호를 내는 성질인 ‘감광성’이 있는 반도체층을 만들었고 화학적 특성도 좋은 물질을 만들어 내는 게 저희 연구 방향이죠.

Q. 연구는 어떻게 이뤄졌나요?

이삭) 우선 탄탈럼은 상온에 존재하지 않아요. 염소나 클로라이드와 결합된 것을 솔벤트에 녹여서 탄탈럼 용액을 만들어야 해요. 그걸 얇게 필름처럼 펴서 반도체 물질로 사용하는 거죠. 근데 그 물질 자체가 어떤 특징을 갖고 있으며, 어디에 사용하면 좋을지를 알 수 없어요. 이 시뮬레이션을 윤재가 담당해요. 물질이 빛을 흡수할 수 있고, 전기를 잘 통하게 할 수 있다는 등의 전기적, 화학적 특성을 예측하면 검증을 제가 하는 거죠.

윤재) 저는 흔히 말하는 양자역학을 기반으로 물성을 예측하기 때문에 기존 시뮬레이션보다 정확하고 실제 합성물과 유사하게 예측할 수 있어요. 근데 비용도 엄청 들죠. 시간으로 따지면 일반 컴퓨터로 3~4일 동안 계산이 필요한 정도니까요. 그래서 이걸 슈퍼컴퓨터로 계산하면 몇 시간 내로 할 수도 있어요.

Q. 융합연구를 통해 얻은 것이 있다면 무엇인가요?

이삭) 학문적인 성과나 배움을 얻기도 했지만, 다른 것도 얻었어요. 저희는 이 연구를 시작하기 전에도 친해 연락을 많이 했는데, 대학에 들어오고 연락이 소원할뻔 했어요. 근데 이 기회를 통해서 이야기를 많이 하게 되면서 더 친해진 것 같아요.

윤재) 연구를 진행하면서 일주일에 한 번씩 만나게 되며 친해진 것도 있어요. 그리고 서로 다른 학문을 전공하면서 대화를 하다보니 서로 보는 눈도 넓어진 것 같아요. 접근 방식도 많이 성숙해졌구요.

Q. 연구는 지금 어떤 과정에 있나요?

A. 일단 저희는 앞서 말씀드렸듯 예측과 실험이 연구의 주된 과정이에요. 지금은 예측을 통해 결과를 도출해낸 상태이구요. 여구라는게 어떻게 보면 학회나 저널 등을 통해 발표되는 게 종착점이잖아요. 그래서 지금은 이 부분을 준비 중이에요.