10월 과학기술인상, 성균관대학교 박진홍 교수- 3진법이 가능한 초절전 반도체 소자 및 회로 기술 개발

10월 과학기술인상, 성균관대학교 박진홍 교수- 3진법이 가능한 초절전 반도체 소자 및 회로 기술 개발

 

작성일 : 2017. 10. 11. 미래인재기반과

 

10월 과학기술인상, 성균관대학교 박진홍 교수
- 3진법이 가능한 초절전 반도체 소자 및 회로 기술 개발 -

□ 이달의 과학기술인상 10월 수상자로 성균관대학교 전기전자공학부 박진홍 교수를 선정했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 조무제, 이하 ‘연구재단’)은 밝혔다.

□ 과기정통부와 연구재단은 박진홍 교수가 3진법을 구현하는 새로운 개념의 초절전 반도체 소자와 회로 기술을 개발하여 미래형 반도체 연구의 지평을 넓힌 점이 높이 평가되었다고 선정배경을 설명했다.

 ㅇ 최근 빠른 처리 속도와 많은 전력 소모가 필요한 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터, 인공지능(AI) 기술이 빠르게 보급․확산됨에 따라 처리 능력은 높이고 전력 소모는 줄인 고성능 초절전 하드웨어의 개발이 더욱 필요해지고 있다.

 ㅇ 박진홍 교수는 ‘0’과 ‘1’ 두 개(2진법) 디지털 신호 조합을 전송하는 기존 컴퓨터 처리기술의 한계를 넘어, 보다 적은 전력 소모로 더 높은 성능을 발휘할 수 있는 다진법 소자 및 회로 기술을 개발하여 우리나라 반도체 기술개발 역량을 크게 향상시켰다.

□ 박진홍 교수가 개발한 기술은 서로 다른 소재의 수직 결합, 독특한 전류적 성질, 새로운 회로구현 방식 등 기존과는 전혀 다른 독창적인 연구 성과로 반도체 소자와 회로의 새로운 연구 방향을 제시한 데 큰 의미를 갖는다.

 ㅇ 박진홍 교수는 표면 결함이 없고 다른 물질과 쉽게 결합하는 2차원 반데르발스 물질*인 흑린(BP)과 이황화레늄(ReS2)을 도핑공정** 없이 수직 결합시킴으로써 제작이 간단하면서 전압이 오르면 전류가 낮아지는 독특한 성질을 갖는 새로운 반도체 소자를 개발했다.

    * 반데르발스 물질 : 분자가 이온 결합이나 공유 결합이 아닌, 정전기적 상호작용으로 발생하는 힘(반데르발스 힘)으로 결합된 고체

    ** 도핑공정 : 순수 반도체에 불순물을 첨가하여 물리적 특성을 다양하게 제어하기 위한 공정으로 주로 반도체의 전도율을 높이기 위해 사용

 ㅇ 또한, 그래핀*과 이셀레늄텅스텐(WSe2)을 수직으로 쌓아 빛과 전기신호에 동작하는 소자를 최초로 구현하는 등 기존 소자에는 없던 새로운 특성․원리를 밝혀냄으로써 초절전 소자 연구의 초석을 마련했다.

    * 그래핀(Graphene) : 탄소 원자로 구성된 벌집 형태의 나노 물질로서, 휘어지는 디스플레이, 투명 디스플레이, 웨어러블 기기 등에 적용할 수 있는 차세대 소재

 ㅇ 뿐만 아니라 이러한 소자의 독특한 성질을 통해 전력을 설계․조절하는 독창적인 논리 회로 구현 방식을 고안․적용하여 뛰어난 성능의 초절전 3진법 전환 회로를 개발하는 등 반도체 회로 연구의 지평을 넓혀가고 있다.

□ 박진홍 교수는 “이 기술이 미래 반도체 소자와 회로 개발에 적극 활용되길 바란다”며 “대용량 정보처리 기술에 필요한 하드웨어의 소형화․저전력화․고성능화에 기여할 것”이라고 연구의의를 설명했다.

□ ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만원을 수여하는 상이다.

 <참고> 1. '17년 10월 이달의 과학기술인상 수상자 주요 연구성과 설명
         2. '17년 10월 이달의 과학기술인상 수상자 이력
         3. '17년 10월 이달의 과학기술인상 수상자 인터뷰

 

참고1

 '17년 10월 수상자 주요 연구성과 설명

① 부성미분저항(NDR) 현상 기반 다진법 소자/회로 연구

 

<BP/ReS2 3형 이종접합 기반 2차원 반데르발스 다진법 소자 개발>
ㅇ BP/ReS2(흑린/이황화레늄) 이종접합은 서로 다른 물질의 에너지 밴드가 서로 중첩되지 않는 3형 이종접합 구조이며, 이를 다진법 소자 공정에 활용하는 창의적인 아이디어를 바탕으로 연구팀은 별도의 복잡한 도핑 공정 없이 부성미분저항(Negative Differentail Resistance, NDR) 특성을 보이는 다진법 소자를 쉽게 제작할 수 있었다.

<3개의 논리상태를 갖는 3진법 NDR 인버터 회로 구현>
ㅇ 초절전형 미래전자 소자/회로로의 응용가능성을 확인하기 위해, BP와 ReS2 이종접합구조 기반 NDR 특성 다진법 소자와 BP 기반의 트랜지스터를 집적하여 2개의 소자로 3개의 논리상태를 갖는 3진 NDR 인버터 회로를 성공적으로 구현하였다.

* 부성미분저항(NDR) : 소자에 흐르는 전압이 오르면, 전류가 낮아지는 현상

② 부성미분전달전도(NDT) 현상 기반 다진법 소자/회로 연구

<Gr/WSe2 1형 이종접합 기반 2차원 vdW 다진법 소자 개발/분석>
ㅇ Gr/WSe2(그래핀/이셀레늄화텅스텐) 이종접합 구조체에 전극들을 정의하고 게이트 전압에 의해 채널 및 소스 쪽의 일함수가 조절되는 다진법 소자를 제작하였다. 특히, 빛을 조사한 상태에서 게이트 전압을 음의 방향으로 증가시킬 때, 즉 소자의 상태가 ‘꺼짐’에서 ‘켜짐’으로 바뀌어갈 때 특정 게이트 전압 영역에서 전류가 감소하는 특이한 현상을 발견하였다.
 
<3개의 논리상태를 갖는 3진법 NDT 인버터 회로 구현>
ㅇ Gr/WSe2 이종접합구조 기반 NDT 특성 다진법 소자와 WSe2 트랜지스터를 집적하여 2개의 소자로 3개의 논리상태를 갖는 3진 NDT 인버터 회로를 성공적으로 구현하였다.

* 부성미분전달전도(NDT) : 빛을 조사한 상태에서 게이트 전압을 음의 방향으로 증가시킬 때, 즉 소자의 상태가 ‘꺼짐’에서 ‘켜짐’으로 바뀌어갈 때 특정 게이트 전압 영역에서 전류가 감소하는 특이한 현상

참고2

 '17년 10월 수상자(박진홍 교수) 이력

 □ 인적 사항

  o 성명 : 박 진 홍 (Park, Jin Hong) 
 
 □ 주요 경력
  o 2016. 3. ~ 현재      성균관대학교 전자전기공학부(부교수)
  o 2017. 6. ~ 현재      Stanford University Department of Electrical Engineering(Visiting Associate Professor)
  o 2011. 9. ~ 2016. 2.  성균관대학교 전자전기공학부(조교수)
  o 2010. 3. ~ 2011. 8.  경희대학교 전자전파공학과(조교수)
  o 2009. 7. ~ 2010. 7.  IBM T.J. Watson Research Center (Postdoc.)
 □ 전문 분야
  o 반도체 재료/공정/소자 연구(2D 나노반도체 기반 전자소자 및 광전소자, 공정기술; 전사, 컨택 및 도핑 기술 등)
  o 차세대 저전력 소자 연구(다치논리 소자/회로, 원자스위치 소자/회로, 뉴로모픽 소자/시스템)

참고3

 '17년 10월 수상자(박진홍 교수) 인터뷰

인공지능(AI) 프로그램 ‘알파고’는 이세돌 9단과의 대결 이후 1년 만에 세계랭킹 1위인 중국의 커제 9단에게 완승을 거뒀다. 단순한 반복 학습에서 벗어나 스스로 다양한 상황을 만들어 연습한 결과였다.

하지만 컴퓨터가 스스로 방대한 데이터를 분석해 미래를 예측하는 머신 러닝 기능을 활성화하려면 그만큼 방대한 전력이 필요하다. 알파고 하나의 소모 전력은 대략 170kW로 추정된다. 기술의 발달로 AI 활용이 많아지면 이에 따른 전력 사용량도 급증하게 된다.

박진홍 교수는 기존의 2진법 반도체에서 한 단계 발전한 3진법 반도체 소자 및 회로 개발에 성공하면서 초저전력 연구에 청신호를 켰다. 연구년을 맞아 3진법 반도체를 실제 산업 현장에서도 사용할 수 있도록 미국에서 후속 실용화 연구에 매진 중인 박 교수를 만나보았다.

o 이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감 부탁드립니다.

 - 이달의 과학기술인상을 받게 되어 영광입니다. 수상자 후보로 추천해 주신 성균관대학교 정규상 총장님과 물심양면으로 연구를 지원해주신 성균관대 정보통신대학 노용한 학장님, 또 좋은 연구 성과를 낼 수 있도록 열심히 연구를 수행한 연구실 학생들에게 감사의 마음을 전합니다. 앞으로 더 좋은 연구 성과를 낼 수 있도록 최선을 다하겠습니다.

o 대형계산기로 출발한 컴퓨터는 최근 AI 형태로 발전하며 스마트폰은 물론 자율주행 자동차에 이르기까지 우리 삶에 큰 영향을 미치고 있습니다. 반도체 소자는 컴퓨터 발전을 이끈 핵심부품 중 하나인데요. 교수님께서 소자 연구를 시작하신 계기가 궁금합니다.

 - 제가 석‧박사 학위를 받은 스탠퍼드대학교가 반도체 칩 제조 회사가 많이 모여 있는 실리콘밸리 근처에 있어 많은 교수와 연구자가 반도체 회로/소자와 관련된 연구를 주변 기업체와 공동으로 진행했습니다. 이에 자연스럽게 반도체 소자 산업 및 연구 현장을 자주 접하게 되면서 관련 연구를 시작했습니다.
 
o 교수님께서는 전압이 오르면 전류가 낮아지는 반도체 소자, 서로 다른 소재를 수직으로 쌓아 만드는 회로 개발 등 기존의 소자와는 다른 독창적인 연구를 진행해 오셨습니다. 주요 연구내용 소개 부탁드립니다.

 - 우선 전압의 증가에 따라 전류가 감소하는 특이한 특성을 갖는 반도체 소자는 여러 반도체 물질을 접합시켜 만들 수 있습니다. 그러나 실리콘, 게르마늄, 3-5족 화합물*과 같은 일반적인 반도체 물질들을 활용할 경우, 각 반도체 물질의 원자와 바로 옆 원자와의 거리 값이 다르기 때문에 다양한 접합 형태를 만들기 어렵습니다. 우리 연구팀에서는 재료 표면에 발생하는 결함이 거의 없는 2차원 반데르발스 반도체를 수직으로 간단하게 쌓아 다양한 반도체 이종 접합을 만들어냈고, 이를 통해 앞서 언급된 특이한 전류특성을 지닌 반도체 소자 및 3진법 회로를 개발했습니다.

    * (3-5족 화합물) 주기율표의 세로 3번째 줄과 5번째 줄에 있는 원소를 결합한 화합물로 갈륨비소(GaAs), 갈륨질소(GaN) 등이 있음

o 이처럼 새로운 연구주제 혹은 연구방법을 찾기 위한 교수님만의 방법이 있나요?

 - 새로운 연구방법을 결정하고 진행하기 전에 관련 분야 전문가들과의 공동 연구 미팅을 많이 하는 편입니다. 수년 혹은 수십 년간 연구를 수행해 오셨던 분들께 우리가 생각한 연구 아이디어나 진행 방법을 설명해 드린 후 조언을 얻어 시행착오를 줄인 덕에 더 완성도 높은 연구를 수행할 수 있었습니다.

o 교수님께서 개발하신 소자기술을 컴퓨터에 적용하면 기존과 같은 양의 데이터를 처리하는 데 필요한 전력량이 50% 이하로 줄어들 것으로 기대됩니다. 이 같은 결과는 관련 산업에 많은 도움이 될 텐데요. 이를 위해 앞으로 어떤 후속연구가 필요한가요?

 - 현재 2진법 체계로 이루어져 있는 반도체 회로 및 시스템 모두를 3진법으로 대체할 수 있다면 많은 전력을 절약할 수 있을 것으로 기대됩니다. 하지만 이렇게 급격한 변화를 관련 산업계에서 받아들이기는 힘든 실정입니다. 그래서 우리 연구팀에서는 3진법 SRAM(휘발성 메모리) 개념을 실험으로 증명하는 후속 연구를 진행하고 있습니다. 컴퓨터 CPU(중앙처리장치) 내 기존 2진법 휘발성 메모리를 3진법 메모리 소자로 대체하는 일차적인 접근을 통해 어느 정도의 전력량 감소를 기대해 볼 수 있을 것입니다.

o 최근 전 세계적으로 전자공학 분야에서 일어나는 일 중 교수님께서 가장 주목하시는 이슈는 무엇인가요?

 - 제가 주목하고 있는 연구 이슈는 새로운 패러다임을 도입한 ‘반도체 소자/회로의 초저전력화’입니다. 이번 연구 내용을 통해 소개해 드렸던 3진법, 4진법과 같은 새로운 수 체계를 기반으로 하는 반도체 소자/회로의 개발도 이에 해당합니다. 또한 인간의 뇌신경 세포를 모방한 소자/회로를 구현하는 ‘뉴로모픽(neuromorphic) 시스템’ 연구도 주목하고 있습니다.

o 연구자로서, 스승으로서 평소 연구실을 운영하는 기본방침이나 철학이 있다면 들려주세요. 더불어 학생들 또는 연구실 구성원들에게 강조하는 내용도 소개해주세요.

 - 현재 연구원들이 진행하고 있는 모든 연구주제는 최소 2명 이상의 연구원들이 할당되어 공동연구 방식으로 진행합니다. 다른 사람의 지식을 서로 활용해 상호보완하며 시너지 효과를 낼 수 있도록 유도하고 있습니다. 또한“대략 알고 있는 내용이라도 100% 정확하게 이해하도록 노력하고, 이를 다른 사람들에게 설명할 때 애매한 표현과 설명보다는 100% 정확한 용어와 이론으로 표현하자”라고 학생들에게 강조합니다.

o 연구자로서 귀감으로 삼으시는 인물이나 스승이 계신가요?

 - 박사학위 지도교수님이신 스탠퍼드대학교의 크리쉬나 사라스왓(Krishna Saraswat) 교수님을 닮으려고 노력 중입니다. 저를 포함한 많은 학생이 박사학위 연구 중 실수하고, 방향을 잘못 잡아 연구 진행이 느려지더라도 스스로 해결해서 바른 방향으로 나아갈 수 있도록 충분한 기회를 항상 주셨습니다. 또한, 학생들을 지도하면서도 세계적인 학술지에 새로운 연구 성과를 꾸준히 발표하셨습니다. 뛰어난 학자들을 길러내고, 성급하게 연구 성과를 내려 하는 대신 완성도를 중요하게 여기시는 모습을 본받고 싶고, 존경합니다.   

o 앞으로 교수님의 연구 분야에서 궁극적으로 도전하고 싶은 목표, 이루고 싶은 연구성과는 무엇인가요? 

 - 지금까지 새로운 아이디어를 내고 이를 실험으로 검증해 학술지에 발표하는 식으로 연구를 이어 왔습니다. 앞으로는 검증된 아이디어들이 실제 제품에 활용되는 것을 목표로 연구를 진행할 계획입니다.

o 교수님께서는 어린 시절 과학자를 꿈꾸신 계기가 있으셨나요? 더불어 미래 과학자를 꿈꾸는 어린 학생들에게, 그 꿈을 이룰 수 있도록 도움 말씀 부탁드립니다.

 - 성급한 선행학습을 통한 피상적인 지식의 습득보다는 충분한 시간을 갖고 완전히 지식을 이해해 100% 자기 것이 되도록 공부했으면 좋겠습니다. 이러한 학습과정을 통해 다양한 생각을 해 보면, 이때 확립된 자기만의 생각하는 방법들을 미래에 새로운 연구 분야를 성공적으로 개척하는 데 반드시 유용하게 활용할 수 있을 것입니다.