한국인의 제2차 노벨상 수상에 대한 소감

[사무국]

화학‧화공‧섬유 분과 변선호 

  최근 작가 한강의 노벨 문학상 수상 소식에 한국인으로서 축하와 함께 느낀 소감을 피력한다. 노벨상은 과학기술 격려가 목적인데 한국은 두 번 수상이 모두 인문 계통이고 과학기술 계통이 아니다. 여기에 어떠한 대책이 필요할까? 요약하면 첫째 시급한 순서대로 시스템적 개선 계획을 세워야 한다. 둘째 연구개발 투자에 대한 국민의 인식 개선이 필요하다. 경제적으로 성장한 한국은 연구 개발 투자를 국가에만 의존하지 않고 민간 위주 상업적 기반의 자본투자가 가능하도록 교육에 의해 자본주의에 대한 부정적 개념을 어려서부터 씻어내야 할 것이다.

어떤 기술적 항목이 첫째 노벨상 수상이 될 수 있을까?

  글로벌 다핵화 정치에서 방위산업은 반도체 산업, 에너지 산업, 자동차 산업 그리고 우주산업 등과 구별이 안 되는 일체화로 폭발적 수요를 보게 될 것이다. 이미 반도체 기술이 일상 사회의 기초가 되었다. 실리콘 반도체가 수 nm 선폭 감소에 의존하는 집적회로에서 무어의 법칙 유지가 어려워지는 것은 특정 국가 장비 기반의 공정 기술이 무한 고가 투자를 야기하기 때문이다. 2004년 흑연에서 테이프에 의해 sp2 혼성 탄소 원자의 단원자 두께 층인 그래핀은 분리되는 기술만으로 노벨상을 받았다. 하늘이 주신 차세대 신소재로 벌집 모양의 6각형 2차원 반도체가 탄생하였다. 기계적 강도, 유연성, 전기전도도, 전자이동도, 광투명도가 전례없이 우수하여 1조 원에 가까운 최초 최대의 연구개발 프로젝트인 Graphene Flagship이 나타나, 유연성 전자기기의 반투명 전극 등으로 실용적 결과를 보였다. 그러나 그래핀이 트랜지스터에서 Si을 대체하지 못하고 있는 것은 Dirac point가 있어 띠 간격이 없어 전류의 on/off 조절이 안 되고 도체에 불과한 강인/유연 소재에 불과하다는 혹평도 있다. 트랜지스터에 응용을 위한 폭 좁은 GNPs(graphene nanoplatelets) 등은 실용화가 안 되지만 다른 응용에 도핑제가 사용된 그래핀 처방이 상용화 되고 있다. 최근 Manchester대에서 인간 두뇌와 컴퓨터 계면(BCI)에 사용되어 비정상 조직 판별이 가능한 침습 최소화 신경조직 치료가 연구 중이다. 

  Phosphorene은 흑린의 표면 몇 개 층을 떼어 낸 2차원 소재이지만 0.5nm 두께의 박막 그래핀과 비슷한 육각 벌집 모양의 원자 배열을 갖는데 그래핀과 달리 규칙적 주름이 잡혀 있어 외부 압력이나 전기장에 의해 물성 제어가 가능하다. 띠 간격을 0~0.6eV까지 포스텍의 김근수 교수 등이 조절에 성공하여 전류의 흐름을 자유로 제어할 수 있었다. 트랜지스터 제작 후 공기 중에서 산화 방지 추가 기술 연구가 필요하다. 합성, 특성, 응용의 연구가 2014년 이후 본격화되어 큰 기대를 받고 있다. 금후 습기에 취약점 등 할 연구과제는 많다.

포스포린 표면에 칼륨 원자 흡착이 수직 방향 전기장 발생
(2015. 기초과학연구원)
<그림 1> 그래핀의 천연적 후계: 포스포린 반도체

  Si 트랜지스터는 스마트폰에서 자동차에 이르는 전자기기에 신호의 증폭, 변환에 응용되는데 일정 전압 아래에서는 작동이 안 되어 이진법 디지털 신호를 만들지 못해 컴퓨터의 에너지 효율을 저하시켜 Data center에서 심각하다. MIT 연구원들은 Si의 물리적 한계 극복을 위해 다른 띠 간격의 반도체 재료 GaSb 및 InAs를 사용한 6nm 미만 직경의 재료로 된 극 박막에서 양자 크기 효과를 활용하여 터널 FET를 설계하였다. 그 결과 on/off 작동이 쉬워졌다. 고속 스위칭에 필요한 강력한 트랜지스터 스위치를 만드는데 더 높은 전류를 얻은 결과이다. 고가의 공정 기술에 재료 연구 결합이 성공 전략이었다.

필자소개
서울대학교 공과대학 화공과 졸업
금성전선(현 엘에스전선) 연구소장,공장장,TCO
연세대 공학대학원 화공과 석사
KISTI ReSEAT 전문연구위원