초박막 양면 반도체 활용, 반도체 집적도 향상 키포인트
다양한 전문가로 구성된 기초연구실 운영
세계적인 반도체 기술 전쟁 속, 우위를 점할 수 있을지 귀추 주목
세계 강대국들의 반도체를 향한 주도권 경쟁이 치열해지면서, 삼성, SK하이닉스 등을 보유한 반도체 강국인 대한민국의 위상이 점점 위협받고 있는 가운데, 사활을 걸고 최첨단 기술 개발에 너나 할 것 없이 뛰어들고 있다. 그래서 누가, 어떤 차별화된 기술로 이 위기를 헤쳐나가느냐가 초미의 관심사다. 기존에 없던 혁신적인 기술의 선점이 필요한 때다. 이 가운데, 초박막 양면에 반도체 소자를 구현하겠다는 당찬 포부로 반도체 산업의 지각변동을 예고한 기초연구실 그룹이 있어 귀추가 주목된다.
미국에서의 교수 생활 접고, 모교인 포항공대에서 연구와 후학양성
김석 교수는 2021년 2월 포항공대 기계공학과에 부임했지만, 이미 미국 명문 주립대 중 하나인 the University of Illinois at Urbana-Champaign에서 9년간 교수로 재직하며 tenure(종신 재직권)까지 받은 연구자다. 미국에서 정년을 보장받은 석학인 그가 다시 한국행을 택한 이유가 궁금했다. “미국에서 tenure 받고 나니, 고국 특히 모교에서 교육과 연구를 통해 이바지하고 싶다는 생각을 하게 되었습니다. 그것이 가장 큰 계기인 것 같습니다” 대학원과 교원 생활 등 17년간 미국에서 생활하며 그곳에서 안정적으로 지낼 수 있었지만, 그를 움직인 건 아마도 조국을 향한 애국심과 더불어 더 많은 연구와 교육에의 열망이었을 것이다. “우리나라에서 최고의 연구 인프라와 환경을 구축한 포항공대에서 우수한 학생들과 함께할 수 있어서 좋습니다”라며 그는 질 좋은 교육환경과 연구환경 등 모교인 포항공대의 긍정적 측면에 감명받은 듯했다. 그는 학부, 대학원, 교수 모두 기계공학에 몸담아왔고, 현재도 기계공학과에서 건식접착제 연구에 매진하고 있다. 그는 건식접착제를 이용한 마이크로 어셈블리(micro assembly) 기술을 소개했다. “최근에는 건식접착제로 조립공정을 구현하여 제조를 하는 마이크로 어셈블리 기술을 반도체 후공정인 패키징에 응용하려 연구하고 있습니다” 그가 한국으로 다시 돌아오려 할 때 주목한 분야가 바로 ‘반도체’다. 기계공학과 반도체는 다른 종목인 것 같지만, 그의 전문분야인 건식접착제를 반도체 패키징에 접목하며 융합을 시도한 것이다. 때마침 세계적인 반도체 전쟁과 마주하며, 그의 기술력에 관심이 높아지고 있다. 포항공대에서 연구실을 꾸려 그가 진행하고 있는 연구주제는 마이크로/나노 스케일에서 적용할 수 있는 새로운 공정 기법을 개발하고, 이를 이용해 고집적 반도체 소자, 디지털 미세 유체 장치, 마이크로 소프트 로봇 등을 제작하는 것이다. “가역적인 접착력을 지닌 형상기억 고분자 기반의 건식접착제를 이용해, 마이크로/나노 크기의 물체들을 원하는 위치로 옮기는 전사 프린팅 연구를 중심으로, 이종 소자 혹은 물질 간의 연결이 이루어질 수 있는 결합 기술 연구도 진행하고 있습니다”
고집적 반도체 공정과 토탈 웨어러블 센싱 시스템 구현
부임한 지 얼마 되지 않아 김석 교수는 기초연구실에 선정되며 국내 전문 연구진들과 소그룹을 이뤄 혁신적인 연구를 할 기회를 얻었다. ‘자체박리 전사 공정 기반 실리콘 초박막 양면 소자 연구 및 웨어러블 센싱 시스템 개발’ 과제인데, 반도체 분야를 목표로 한 연구주제로 주목받고 있다. “현재 대두되고 있는 반도체 산업의 가장 큰 문제점인 집적도 향상 문제를 초박막 실리콘의 양면 사용이라는 혁신적인 방법으로 접근한 것이 선정의 원동력이지 않나 싶습니다. 그리고 뛰어난 신진 연구자분들과 함께하게 된 것도 매우 중요한 선정 이유로 생각됩니다” 연구의 최종 목표는 이전에는 없던 자체박리 전사기술을 토대로, 초박막 실리콘 양면에 반도체 공정을 구현하는 것과 이 기술을 바디 센서 네트워크에 활용하여 웨어러블 센싱 시스템으로 구현하는 것이다. 참여 연구진은 김석 교수를 책임 연구자로 이한얼 교수(전북대), 이재홍 교수(DGIST), 김남중 교수(가천대)다. 김석 교수는 “각 분야에서 뛰어난 역량과 실적을 가지신 분들이기에 한 분, 한 분 중요한 연구주제를 담당하고 계십니다”라며 연구내용을 소개했다. 이한얼 교수는 유연한 웨어러블 반도체 소자 개발, TSV(Through-silicon via) 기반 이종 소자의 3차원 집적, 웨어러블 다기능 통합 센서 시스템 개발 및 생체 모니터링을 연구하고, 이재홍 교수는 고전도성 섬유형 전극 소재, 텍스타일 기반 근거리 통신 시스템 개발, 실리콘 초박막 센서 시스템 기반의 센서 통합형 바디 센서 네트워크 개발을 진행한다. 김남중 교수는 분자 동역학과 연속체 역학을 활용하여 자체박리 공정에 대한 모델링과 수치해석을 담당한다. 끝으로 자신의 연구를 소개하며 김석 교수는 “저는 본 연구 프로젝트를 총괄하면서, 자체박리 전사기술에 기반한 초박막 실리콘 제작과 실리콘 양면에 반도체 공정을 구현한 소자 제작 및 TSV(Through-silicon via) 기술로 소자 간의 상호 결합이 가능함을 증명하려 합니다. 그리고 고분자 스탬프를 이용하여 초박막 실리콘의 전사, 이종 집적을 구현할 계획입니다”라고 말했다. 반도체를 다루기 때문에 연구 성과의 활용 가능성은 무궁무진하다. 반도체, 헬스케어 산업 등 유망한 분야에 모두 적용 가능할 것으로 기대된다. “기존 반도체 공정의 경우 한쪽 면에만 소자가 제작되었는데 양면에 소자를 제작하고, 상호 연결이 가능해질 경우, 비교적 적은 비용으로 집적도를 크게 높일 수 있게 됩니다. 예를 들어, 기존에는 마이크로 LED와 TFT를 한 면에 제작했는데, 저희 기술을 이용하면 한쪽에는 LED 소자, 다른 면에는 TFT를 제작하여, 같은 크기의 LED 소자를 이용해도 더 고해상도인 디스플레이를 구현할 수 있습니다”라며 덧붙여 “박막 실리콘에 제작되었기 때문에 유연하다는 장점도 있습니다. 이에 섬유 기반 웨어러블 바디 센서 네트워크와 3차원 적층된 초박막 실리콘 소자, 이종 반도체 소자를 접목하여, 다양한 조합을 가진 고성능 다기능 웨어러블 멀티 센서 개발도 가능합니다. 일상생활의 생체 신호 모니터링부터, 실시간 질병 예방 진단에 사용할 수 있는 의료용 센서까지 구현이 가능할 것입니다”라고 설명했다.
“변화에 유연하고 능동적으로 대처하는 공학 그룹이 되겠습니다”
모교에서 제자이면서 후배들을 가르치는 그의 마음이 궁금했다. 포항공대 기계공학과 학부생으로 누렸던 캠퍼스가 눈에 선할 것 같은데, 이제는 교수로서 연구하고 교육하며 미래의 재목을 키워내고 있다. “기존에 해오지 않았던 새로운 연구에 두려움 없이 도전하자고 학생들에게 자주 강조하는데, 제가 연구를 할 때 늘 견지하는 철학이기도 합니다. 새롭다는 건 무에서 유만을 이야기하는 게 아닙니다. 기존의 것을 토대로 변화하는 것도 새로운 것입니다. 연구하는 사람은 변화하는 사회가 필요로 하는 것에 부응해야 합니다. 저희가 기계공학을 하지만, 전통적인 기계만 고수하지 않고 현재의 흐름을 보며 끊임없이 변화를 시도하고 있습니다. 그래서 현재 이슈가 되는 반도체 산업에 기계공학적으로 필요한 걸 파악해서 연구주제를 정하고 성공을 위해 노력하고 있는 것입니다” 그는 공학자로서 ‘유용한 기술’을 강조했는데, 미국에서도 건식접착제와 이를 이용한 마이크로 어셈블리 기술로 창업을 한 경험이 있다. 연구개발을 통해 일반 대중들의 삶 속이나 산업계에 필요한 기술로 녹여내고 싶은 게 그의 바람이다. “부임한 지 채 2년이 안 됐지만, 학생들의 도움으로 실험실을 잘 꾸릴 수 있었습니다. 앞으로는 실험실 규모를 더 늘릴 계획입니다”라는 김석 교수는 차세대 반도체 기술을 연구하는 자신의 연구그룹에 많은 후학이 관심을 두고 진학해주길 바랐다. “기초연구실에 같이하고 계신 3분의 젊은 교수님들이 아주 훌륭하십니다. 좋은 분들과 같이 일하고 연구하게 돼서 너무 감사드립니다. 그리고 또한 아주 훌륭한 실험실 학생들에게도 고마운 마음을 표현하고 싶습니다. 훌륭한 동료연구자와 학생들이 있어서 정말 행복합니다”
[이슈메이커=임성희 기자]
