‘이달의 과학기술인상’에 김윤석 성대 교수… 차세대 반도체 소재 기여

새해 첫 이달의 과학기술인상은 성균관대 신소재공학부 김윤석 교수가 받았다.

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매달 1명씩 선정해 과학기술정보통신부 장관상과 상금 1000만원을 수여하는 상이다.

김윤석 성균관대 교수. /과기정통부

김 교수는 차세대 반도체 소재인 하프늄옥사이드(HfO2)의 강유전성 발현 원인을 밝히고, 이온빔을 이용해 HfO2의 강유전성을 높이는 기술을 개발해 반도체 소자 기술 경쟁력을 강화한 공로를 인정받았다. 강유전성은 외부 전기장 등에 의해 물체의 일부가 양(+)극이나 음(-)극을 띠게 된 후 그 극성을 유지하는 성질을 의미한다.

강유전성이 큰 반도체 소재는 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0′과 ‘1′의 차이가 커져 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있다. 나노미터 수준의 얇은 막에서도 우수한 강유전성을 보이는 HfO2는 메모리, 트랜지스터 등 기존 산화물을 대체할 차세대 반도체 소재로 꼽힌다.

문제는 최근까지 HfO2의 강유전성 발현 원인이 밝혀지지 않아 실제 반도체 소자의 초고집적화 실현에 어려움이 있었다는 점이다. 김 교수 연구팀은 바로 이 부분을 해결했다.

김 교수 연구팀은 강유전성 발현 정도는 산화물 재료 결정구조의 산소 공공과 밀접한 관계가 있음에 착안해 이온빔으로 산소결함을 정량적으로 조절하여 HfO2의 강유전성을 향상시키는 방법을 고안했다. 이온빔은 전기장이나 자기장으로 전하를 띤 원자(이온)의 방향을 정렬해 만든 흐름을 말한다.

그 결과 기존 대비 200% 이상 강유전성이 증가한 것이 확인됐고, 강유전성 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리도 규명했다.

이온빔이라는 하나의 변수만으로 강유전성을 향상시키는 기술은 현재 반도체 공정에 패러다임 변화 없이 적용 가능한 장점이 있다. 관련 연구성과는 국제학술지 사이언스(Science)지에 2022년 5월 게재됐다.

이온빔을 통한 강유전성 증대 기술. /과기정통부

김윤석 교수는 “이번 연구는 하프늄옥사이드의 강유전성 발현 원인을 밝혀 강유전체의 고성능화를 구현했다는데 의의가 있다”며 “이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

1979년생인 김 교수는 고려대 재료금속공학부를 나온 뒤 한국과학기술원 신재공학과에서 석사와 박사를 모두 마쳤다. 이후 한국화학기술원 응용공학연구소 박사후연구원, 독일 막스플랑크 미세구조물리연구소 박사후연구원, 미국 오크 릿지 국립연구소 박사후연구원을 거쳐 2012년부터 성균관대 신소재공학부 교수를 맡고 있다.

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