이번 연구실탐방에서는 전자전기공학부 박진홍 교수의 차세대 나노 반도체 소자 연구실을 취재했다. 최근 기계적, 전기적 스트레스에 내구성이 뛰어난 차세대 유연 시냅스 반도체 소자 개발에 성공했으며 인공지능의 기억을 빛으로 제어하는 광전자 시냅스 반도체 소자를 개발하기도 했다. 이러한 기술들은 향후 인공신경망 기반 차세대 컴퓨팅 시스템의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 이처럼 반도체 소자와 관련해 우수한 연구 성과를 이루어 내고 있는 박진홍 교수의 연구실에 대해 알아보자.

 ▣ 연구실 소개 부탁드립니다.

성균관대학교 차세대 나노 반도체 소자 연구실은 박진홍 교수의 지도 아래 2차원 전이금속 칼코겐 화합물(Transition metal dichalcogenide)과 산화물 반도체(Oxide Semiconductor) 물질을 활용하여 신경세포 모방 소자(Neuromorphic device), 다진법 로직 소자(Multi-value logic device)를 제작/측정 및 분석하는 연구를 진행하고 있습니다.  세계적인 초미세 공정 트렌드에 발맞춰 2차원 반도체 채널을 갖는 GAA (Gate-all-around) 타입의 2D MBC (Multi-bridge-channel FET) FET, Folk-sheet FET, Complemenatry FET 등 차세대 로직 소자 공정 기술도 연구하고 있습니다. 졸업생들은 국내 우수대학의 교수, 국내외 대기업의 연구원, 해외 우수대학의 박사후 연구원, 정부 연구기관의 연구원 등으로 진출합니다.

▣ 연구실의 대표적인 연구 활동들을 소개해주세요. 

- Multi-Valued-Logic 반도체 소자

현재 대부분의 반도체 소자는 0과 1을 이용하여 정보를 처리하는 이진법 기반의 소자입니다. 우리 연구실에서는 0과 1을 너머 2와 3, 그 이상의 논리 상태를 이용하여 정보를 처리하는 다진법 기반의 반도체 소자에 대해서 연구하고 있습니다. 다진법 반도체 기술은 기존의 이진법 반도체 기술의 한계를 돌파하여 새로운 길을 제시할 것으로 예상되며 최근 세계적으로 관심을 받기 시작했습니다. 우리 연구실은 2016년 2차원 물질을 이용하여 세계 최초로 삼진법 기반 반도체 소자를 구현한 것을 시작으로 계속해서 다진법 반도체 기술에 대한 연구를 이어 나가고 있습니다.

- Neuromorphic 반도체 소자

방대한 양의 데이터를 처리해야 하는 '빅데이터' 시대에 기계가 사람처럼 생각하고 행동할 수 있도록 하는 인공지능(AI) 기술이 화두가 되었습니다. 하지만 기존의 폰 노이만 (von Neumann) 아키텍처를 사용하는 컴퓨팅 시스템에서 딥 러닝 (Deep learning) 알고리즘을 기반으로 작동하는 소프트웨어(SW) 기반 AI 프로그램은 높은 전력을 필요로 합니다. 그러한 소프트웨어 기반 AI 프로그램과 달리 인간의 뇌는 ~10¹⁵개의 시냅스와 ~10¹¹개의 뉴런의 수많은 상호 병렬연결로 구성된 생물학적 신경망을 통해 20W만 소비하여 더 많은 양의 정보를 처리할 수 있습니다. 이러한 신경망을 모방하여 하드웨어 신경망(HW-NN) 구현에 필요한 전자 소자를 개발하기 위한 연구가 수행되고 있습니다.

- Gate-All-Around 반도체 소자

최근 기존 실리콘 전자소자의 미세화는 언론에서도 다뤄진 바와 같이 GAA와 같은 구조적 혁신으로 진행되어 왔습니다. 하지만 이런 구조적인 혁신에도 불구하고, 실리콘의 물리적 한계로 인하여 더 이상의 소형화는 쉽지 않을 것으로 예측됩니다. 2차원 소재는 이런 물리적 한계를 극복할 수 있는 신소재로 최근 재조명되어 활발히 연구가 진행되고 있습니다. 저희도 2차원 소재를 GAA 3차원 구조에 적용하여 2차원 소재의 상용화를 앞당기기 위해 국내외 우수 연구팀과 함께 연구를 진행하고 있습니다.

▣ 하나의 연구를 진행하는 과정은 어떻게 되나요?

앞에서 말씀드렸듯이, 우리 연구실에는 2차원 나노 반도체, 산화물 반도체 소재를 이용하여 다양한 차세대 반도체 소자와 응용 회로를 연구하고 있습니다. 우선 연구실에 진행하고 있는 3가지 큰 주제 안에서 자신이 관심 있는 세부 연구주제를 정하는 것부터 시작합니다. 학부 전공 시간에 배웠던 Device physics에 대한 이해를 기본으로 연구주제와 관련된 논문들을 파악하고, 미팅을 통해 연구주제를 결정합니다. 연구주제가 정해지면 내가 어떤 것을 중요하게 보여주고 싶은지, 구체적으로 어떤 방법으로 실험을 진행할지 설계하고 실험을 진행합니다. 이후 실험을 통해 얻은 데이터를 근거로 논리적으로 추론하는 과정을 거쳐 논문화를 진행하게 됩니다. 이러한 연구 과정을 통해 독창적이고 독립적인 연구를 진행할 수 있는 연구자로서 성장할 수 있습니다.

▣ 연구실 자랑 부탁드립니다.

우리 연구실에는 연구에 필요한 대부분의 장비와 시스템이 갖춰져 있습니다. 다양한 장비를 이용하여 다양한 연구를 진행할 수 있습니다. 실제 소자를 제작하고 실험, 분석하는 과정들이 이후 학교, 연구소, 기업으로 진출하여 더 많은 역량을 펼치는 데 도움이 됩니다.  퀄리티 있는 연구와 논문을 지향하며, 이에 맞는 실력과 열정을 겸비한 선배들을 통해 연구를 보는 시각을 확장하고 많은 부분을 배울 수 있습니다. 박사과정의 경우 매년 해외 학술연수에 참여 기회도 주어져 최신 연구에 대한 트렌드를 파악하는 데 도움이 됩니다. 마지막으로 자율적인 출퇴근 시간으로 본인의 컨디션에 맞게 주체적으로 시간을 계획하고 연구할 수 있는 연구실입니다. 

▣ 연구실에 들어가려면 어떤 자격, 능력이 필요할까요? 어떤 학생이 연구실에 오면 좋을까요?

성실함, 적극성, 책임감, 실력 등 훌륭한 덕목들이 많지만, 특히 열정이 있는 학생이 오면 얻어 가는 것이 많은 연구실이라고 생각합니다. 열정적인 학생과 아이디어 회의를 하다 보면 시도해 볼 가치가 있는 연구들이 연속적으로 나타나고 이후 수행까지 하는 편입니다. 필수는 아니지만, 학부 때 전자기학, 반도체공학, 반도체고집적공학 등 반도체 관련 분야 과목을 수강한 학생은 연구를 수행하는 데 더욱 수월할 것으로 생각됩니다. 권위 있는 저널에 주기적으로 논문이 게재되고 있어 높은 임팩트의 연구를 배우고 수행하고자 하는 학생들은 많은 지원 바랍니다.

▣ 연구원을 꿈꾸는 학생들에게 한마디 부탁드립니다.

학생 때는 정해진 커리큘럼을 따라는 것이 무엇보다도 중요합니다. 하지만 앞서가는 연구를 하기 위해서는 학부 수준의 공부에서 한 발짝 더 나아가야 합니다. 늘 현재 기술을 눈여겨보며 필요한 분야를 스스로 공부하고 앞으로 나아가는 습관을 기르셨으면 좋겠습니다. 연구에 대한 확고한 목표를 갖는 것도 중요합니다. 연구하다 보면 계획한 대로 결과가 빠르게 나오는 경우도 있지만, 연구하는 과정에서 예상치 못한 문제가 발생하기도 합니다. 하지만 이때 자신만의 연구 목표를 가지고 있다면 주변 환경이나 상황에 휘둘리지 않고 묵묵히 자신의 연구를 진행해 나아갈 수 있다고 생각합니다. 만약 연구원을 꿈꾸지만 망설이는 학생이 있다면 일단 시도해 보라고 말씀드리고 싶습니다. 시작 전 수많은 고민이 연구를 진행하다 보면 기우였다는 생각도 많이 드는 것 같습니다. 생각이 있다면 일단 실행해 보세요.

연구실 홈페이지: https://sites.google.com/site/ansdl2013/home?authuser=0