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나노분야의 우수한 성과를 내거나 중요한 역할을 하는 인물을 소개합니다.

차세대 반도체 핵심 '고효율 스핀전류 생성 소재' 개발(19.10)

페이지 정보

이름
박병국 교수
소속
KAIST

본문

1968년 첫 걸음을 뗀 우리나라 반도체 산업은 1990년대 연평균 50%가 넘는 폭발적인 성장을 기록하며 디램(DRAM)과 플래시(Flash) 메모리 반도체 시장을 선도해왔다. 하지만 최근 중국의 대규모 메모리 반도체 투자로 국내 산업이 위협받고 있으며, 4차 산업혁명에 따른 차세대 초고속, 대규모 정보처리기술 개발이 요구되는 상황이다.


KAIST 박병국 교수는 대학원 시절부터 스핀트로닉스를 기반으로 반도체 소자 개발 연구에 매진해온 젊은 과학자이다. 과학자로서 그의 첫 번째 목표는 새로운 원리를 이해하여 기초 학문 발전에 기여하는 것이지만, 궁극적 목표는 기초 연구가 응용 기술 개발로 이어져 사회발전에 이바지하는 것이다. 그가 국내외 저널의 편집과 학회활동에 적극 참여하는 이유 역시 연구 결과가 실험실에 머물지 않고 사회발전의 초석이 되길 희망하기 때문이다.

그는 과학자의 길은 정해진 답이 없다고 말한다. 본인의 연구결과에 호기심을 갖고 자신에게 끊임없는 질문과 답변을 통해 스스로 길을 개척할 뿐이다. 과학자의 호기심과 사회적 책임을 바탕으로 차세대 반도체의 미래를 앞당긴 박병국 교수의 연구이야기를 소개한다.

 

이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감 부탁드립니다.

전자의 스핀을 활용하여 새로운 소재 및 소자를 개발하는 스핀트로닉스 연구를 꾸준히 수행한 결과가 이달의 과학기술인상 수상으로 이어져 매우 기쁘고 감사합니다. 앞으로도 개발된 소재가 차세대 자성메모리의 동작 기술로 적용될 수 있도록 노력하겠습니다. 이 연구결과는 많은 분의 도움이 없이는 불가능했습니다. 연구에 직접 참여한 고려대학교 이경진 교수님, KAIST 김갑진 교수님, 미국 NIST 연구진을 비롯하여 연구에 조언을 아끼지 않은 미래소재디스커버리 사업 스핀오비트로닉스 소재 연구단(단장 고려대 김영근 교수) 참여연구원께 감사드립니다. 특히 지도교수를 믿고 밤낮없이 연구에 매진한 KAIST 신소재공학과 나노스핀트로닉스 연구실 학생과 연구원들께 깊은 고마움을 전하며 수상의 영광을 돌리고 싶습니다.


다양한 연구분야 중에서도 스핀트로닉스를 선택하신 이유가 있나요?

스핀트로닉스는 전자 고유의 특성인 전하와 스핀을 동시에 활용하여 새로운 전자소자를 개발하는 연구분야입니다. 현재의 컴퓨터 또는 모바일에 사용되는 전자소자는 반도체를 주요 소재로 사용하고, 소자의 크기를 감소하는 방식으로 기술을 발전시켜 왔습니다. 하지만 소자 크기가 수 나노미터로 작아지면서 소형화의 물리적 한계에 도달하였습니다. 전자의 스핀 특성을 추가로 활용하는 스핀트로닉스는 새로운 기능의 소자 구현, 빠른 동작 속도, 비휘발성 등의 특성으로 기존의 반도체 전자소자가 가지고 있는 근본적인 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대되었습니다. 기존 전자기기의 지속적인 성능향상을 위해서 스핀트로닉스 소자 개발은 필수적으로 요구되고 있습니다. 더 나아가 인공지능, 사물인터넷, 빅데이터, 뉴로모픽 소자 등 미래 반도체 소자로 활용될 것으로 기대됩니다.

최근 자성메모리의 동작속도와 집적도를 동시에 향상하는 소재 개발에 이어 열로 스핀전류를 생성하는 소재 개발까지 연이어 성공하며 학계와 산업계의 주목을 받았습니다. 관련 연구 성과도 소개해주세요.

자성메모리는 자성 박막으로 이루어진 비휘발성 메모리로 차세대 반도체 소자로 꼽힙니다. 하지만 기존 동작 방식으로는 동작 속도와 집적도를 동시에 높이는 데 한계가 있습니다. 특히 고속 동작이 가능한 스핀궤도토크 자성메모리는 동작할 때 필요한 외부자기장 인가가 집적도를 제한합니다. 이를 극복하기 위해서 반강자성 소재를 도입하여 외부자기장 인가 없이 동작하는 스핀궤도토크 소재 기술을 개발하였고, 이 결과를 바탕으로 고속 동작 및 고집적이 가능한 자성메모리를 제안하였습니다.
또한 자성메모리를 포함한 대부분의 스핀트로닉스 소자는 스핀 전류에서 발생하는 스핀 토크로 동작합니다. 따라서 스핀 전류의 효율적인 생성 기술 개발은 스핀트로닉스 기술에 매우 중요합니다. 기존에는 전기로 스핀 전류를 생성하였는데, 우리 연구팀은 열에 의해서 스핀 전류가 발생함을 실험적으로 증명하였습니다. 나아가 열에 의한 스핀 전류 생성효율이 전기에 의한 생성효율과 유사함을 보임으로 전기가 아닌 열로 동작하는 자성메모리 가능성을 제시하였습니다.

기존 메모리 반도체의 한계를 극복할 차세대 반도체 개발의 토대를 마련하셨는데요. 교수님의 연구결과가 향후 우리 사회에 어떤 영향을 미치고, 어떤 변화를 이끌어 가게 될까요?

국내 반도체 산업은 디램(DRAM), 플래시(Flash) 등 메모리 반도체 분야에서 세계시장을 선도하고 있습니다. 하지만 최근 중국의 대규모 투자 및 전자소자의 다양화로 지속적인 경쟁력 유지에 어려움이 예상됩니다. 이번 연구결과가 자성메모리에 적용될 경우, 고속 동작과 비휘발성 특성으로 기존 메모리 반도체를 대체하거나 스핀 기반 논리소자 개발이 가능할 것으로 판단됩니다. 따라서 관련 원천기술을 선점하고 지적재산권을 확보하여 메모리 산업의 주도권을 강화하고 비메모리 논리소자 부분의 시장을 확장하는데 일조할 것을 기대하고 있습니다.


사이언티픽 리포트 (Scientific Reports) 편집위원, 자성학 저널 (Journal of Magnetics) 부편집장, IEEE 자성분과 서울지부 임원 등 활발한 학회활동으로 국내 자성학과 자성소재 분야의 세계적 권위를 높이고 국제협력에도 이바지 하셨습니다.

과학자들이 연구 활동을 하는 궁극적인 이유는 인류 발전에 이바지하기 위함입니다. 첫 번째는 연구 수행의 결과로 새로운 원리를 이해하여 기초 학문 발전에 기여하는 것이고, 두 번째는 응용 기술의 개발로 산업기술 발전에 이바지하는 것입니다. 이러한 연구의 사회적 기여를 위해서 꼭 필요한 것이 연구결과를 연구자들과 공유하는 것입니다. 이는 논문 투고나 학회 발표를 통해서 이루어지므로 국내외 학회활동이 이를 촉진하고 장려하는 역할을 한다고 생각됩니다.

10월 24일은 국내 반도체 수출이 최초로 100억불을 돌파한 1994년 10월을 기념해 제정된 반도체의 날입니다. 지난 10여 년 반도체 분야 기술의 비약적인 발전으로 반도체는 우리나라를 대표하는 산업이 되었는데요. 차세대 반도체 기술의 선두를 지키기 위해 우리나라는 어떤 노력을 해야 할까요?

국내 반도체 산업은 메모리 분야에서 세계 최고 기술 및 높은 시장점유율을 보유하고 있습니다. 하지만 4차 산업혁명 시대를 맞이하여 반도체 강국의 지위를 유지하기 위해서는 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기 등 미래 전자소자에 적합한 핵심 소재/소자 기술을 확보해야 합니다. 이를 위해서 기존의 실리콘 기반 반도체 소자의 성능을 능가하는 초저전력 및 초고속 반도체 소자 개발에 지속적인 투자를 해야 할 것입니다.

창의적 연구와 더불어 대학원생과 학부생 교육을 위한 프로그램 개발과 실험실 운영 등 후학 양성에도 힘을 쏟고 계신데요. 연구자로서, 스승으로서 평소 학생들 또는 연구실 구성원들에게 강조하는 내용도 소개해주세요.

대학원 과정은 학문적 또는 산업적으로 주어진 문제 해결을 위해 연구를 수행하고, 이를 바탕으로 차세대 리더로 성장해가는 단계라고 생각합니다. 저는 연구실 학생들에게 좋은 연구자가 되기 위해서 지적 호기심과 소통 능력을 높일 것을 강조합니다. 연구 활동은 정해진 답을 찾는 것이 아니므로 본인의 연구결과에 대한 호기심을 갖고 자신에게 끊임없는 질문과 답변을 통해서 창의적인 아이디어를 도출할 수 있습니다. 이를 스스로 또는 동료들과 검증하는 과정을 거치면서 우수한 연구성과를 얻을 수 있고, 본인의 연구 역량을 키울 수 있습니다. 또한, 현대 과학기술은 다양한 전공의 융복합 연구를 필연적으로 요구합니다. 스핀트로닉스의 경우 물리학, 재료공학, 전자공학 등 학제 간의 협력이 중요합니다. 따라서 연계된 연구자들 사이에서 논리적인 소통 능력은 탁월한 연구자 또는 리더의 중요한 덕목입니다.

연구자로서 귀감으로 삼으시는 인물이나 스승이 계신가요?

저는 KAIST 재료공학과(현 신소재공학과) 대학원 석사과정에 입학하면서 이택동 교수님의 지도로 자성재료와 스핀트로닉스 분야의 연구를 시작했습니다. 교수님은 본인 스스로 연구와 교육에 최선을 다하시는 모습을 항상 보여주셨고, 연구실 학생들의 연구와 진로에 많은 걱정과 관심으로 스승의 길을 보여주셨습니다. 교수님의 지도 덕분에 이 자리에 설 수 있었고, 앞으로 좋은 연구자와 교육자로 거듭날 수 있도록 노력하겠습니다.


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

전자의 스핀을 활용한 스핀트로닉스는 1988년에 거대자기저항 효과의 발견과 함께 처음 제안되었습니다. 이후 1997년 컴퓨터 하드디스크의 읽기 소자에 응용되어 정보저장기술의 발전에 크게 이바지하였습니다. 그 공로로 거대자기저항 발견자들은 2007년 노벨 물리학상을 수상하였습니다. 그 이후 두 번째 스핀트로닉스 소자인 자성메모리가 개발되었고, 올 초 삼성전자가 대량생산을 시작하여 그 응용범위가 점차 확대되고 있습니다. 저는 다양한 소재에서 스핀 전류 생성 및 제어기술을 연구하여 스핀 로직 소자, 스핀 뉴로모픽 소자, 스핀기반 THz 생성소자 등 제3의 스핀트로닉스 소자 실용화에 기여하고 싶습니다.

미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 한 말씀 부탁드립니다.

현대 사회는 매우 빠르게 변화하고 있고, 그 변화의 중심에는 과학기술의 발달이 있습니다. 자율주행 자동차, 인공지능 로봇, 스마트 홈 등 예전에는 상상만 했던 일이 현실로 다가오고 있습니다. 앞으로도 사회는 더 빨리 변화할 것이고, 변화하는 미래 사회의 모습은 과학자들에 손에 의해서 설계될 것입니다. 따라서 과학자를 꿈꾸는 학생들이 인류의 미래를 더 나은 방향으로 디자인한다는 자부심을 품고 장래를 준비하면 좋겠습니다. 그리고 과학자가 어린 학생들에게 매력적인 직업으로 느껴지도록 사회 여건 및 의식이 조성되면 좋겠다는 바람입니다.

출처: ​https://sci.sedaily.com/Winner#273 

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