스핀-광-전자 소자 연구 기대주
스핀-광-전자 소자 연구 기대주
  • 임성희 기자
  • 승인 2023.04.01 21:56
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김영훈 한양대 에너지공학과 교수 / 차세대 에너지 전자 소재 연구실(사진=임성희 기자)
김영훈 한양대 에너지공학과 교수 / 차세대 에너지 전자 소재 연구실(사진=임성희 기자)

고효율 고색순도 페로브스카이트 디스플레이 상용화 기대
신개념 스핀 광전자 소자 연구

(사진출처=프리픽)
(사진출처=프리픽)

 

광전자 소자는 광소자와 전자소자의 상용작용을 활용하는 것으로 광(光)이 전자가 되거나, 전자를 흘려보내 광(光)으로 만드는 소자다. 前자는 태양열을 에너지로 만드는 기술에 활용되고, 後자는 TV, 핸드폰 디스플레이가 대표적이다. 최첨단 광전자 소자 연구를 위해서 많은 연구자의 끊임없는 노력이 이어지는 가운데, 스핀 기술을 도입해 주목받는 신진연구자의 활약이 눈에 띈다. 

스핀, 반도체 새로운 패러다임 열 수 있을까? 
광전자 소자 관련해 많은 연구가 이뤄지고 있는 가운데, 자신만의 연구영역을 개척하려는 연구자들의 도전도 끊임없이 이뤄지고 있다. 태양전지 분야에서는 페로브스카이트를 활용해 효율을 높이려는 연구가 도전적으로 이뤄지고 있고, 전자기기 디스플레이 분야에서는 유연하고 신축성 있는 소자를 구현하기 위한 노력이 계속되고 있다. 한양대 김영훈 교수는 광전자 소자에 스핀의 개념을 추가하며 국내에서 새로운 연구영역을 개척하고 있는 뉴프런티어다. 그도 원래는 디스플레이를 연구하던 공학도였다. 박사과정 중인 2014년도에 세계최초로 상온에서 가시광 영역 다색 발광다이오드를 개발해서 주목받았다. 관련 분야를 지속적으로 연구하여 2021년 1월에, 페로브스카이트 발광다이오드의 발광효율을 획기적으로 높일 수 있는 페로브스카이트 나노 입자 결함 제어기술을 제시해 차세대 페로브스카이트 디스플레이가 상용화 수준의 효율을 낼 수 있음을 입증했고, 이를 Nature photonics에 논문으로 게재했다. “박사후과정으로 미국 National renewable Energy Laboratory에서 일할 때, 페로브스카이트 발광체 연구를 지속함과 동시에 당시 신학문이었던 스핀 광전자 소자를 접하며 연구의 전환점을 가질 수 있었습니다” 김영훈 교수는 카이랄 페로브스카이트 소재를 활용해 세계최초로 상온에서 외부 자기장 없이 구동하는 스핀 발광다이오드를 구현했고, 그 결과를 2021년 4월 Science에 보고하며 스핀 광전자 소자 신진연구자로 핫데뷔했다. “귀국해서 연구와 교육을 병행하며 스핀 광전자 소자 분야를 개척해서 대한민국 기술 발전과 인력양성을 위해 일하고 싶었고, 좋은 기회로 한양대에 부임할 수 있었습니다” 학교 부임 이후에도 괄목할만한 연구성과는 이어졌는데, 2022년 고효율의 대면적 페로브스카이트 발광다이오드를 제작해 양산화 가능성을 증명하며, Nature Nanotechnology에 게재했다.

3진법 이상의 정보전달 가능하게 하는 ‘스핀’
양자컴퓨터 활용 기대

김영훈 교수는 광소자 내의 전자와 광의 방향성을 조절할 수 있는 걸 스핀이라 설명하며 “방향성을 가지게 되면, 기존에 2진법에서 3진법 혹은 그 이상 진법으로 정보전달이 가능해 정보전달 효율이 높아집니다. 이에 디스플레이에는 물론 메모리반도체에도 활용할 수 있는 기술입니다”라고 말했다. 김영훈 교수가 연구하는 스핀 광전자 소자는 자석 없이 소자를 구현할 수 있어, 기기의 크기가 줄어들고, 집적도가 향상되며, 공정비용도 절약할 수 있는 장점까지 갖춰, 기술이 상용화된다면, 기존 반도체 한계를 넘어서는 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 예상된다. 이에 미래 기술로 주목받는 인공지능 반도체와 양자컴퓨터 등에 응용이 기대된다. 
  한양대 에너지공학과에 부임한 그는 스핀-광-전자의 상호작용연구와 그 효율을 높이는 소재 합성과 소자 구현까지 연구컨셉을 정했다. 구체적인 연구내용으로는 고효율의 고색순도 발광다이오드, 스핀 발광다이오드, 광촉매, 편광 광센서 및 스핀 메모리 등이다. “연구만 했지 수업을 통해 누구를 가르쳐본 적이 없었기 때문에 학생들의 수업을 준비하는 것이 어색하고 많은 시간이 필요했습니다. 하지만 제 특징이 녹아있는 연구그룹을 꾸리고 학생들과 같이 첨단기술을 연구해나갈 수 있다는 게 굉장히 즐겁습니다” 그는 ‘카이랄 페로브스카이트를 이용한 신개념 스핀 광센서 소자’로 한국연구재단 과제에 선정됐고, 2023년 포스코사이언스펠로십에도 이름을 올리며 관련 분야 기대를 한몸에 받고 있다.

김영훈 교수는 스핀 광전자 소자 연구 기대주이자 개척자다. 선구자로서 책임감을 느끼고 연구에 임하는 모습이 인상적이였는데, 관련 분야 연구와 인력양성을 위해 매진하겠다는 그의 의지가 당차다.(사진=임성희 기자)
김영훈 교수는 스핀 광전자 소자 연구 기대주이자 개척자다. 선구자로서 책임감을 느끼고 연구에 임하는 모습이 인상적이였는데, 관련 분야 연구와 인력양성을 위해 매진하겠다는 그의 의지가 당차다.(사진=임성희 기자)

“넓은 세상 보고, 세상에 이바지했으면”
김영훈 교수는 학생들에게 해외 경험을 강조했다. 우리보다 기술선진국으로 나아가서 식견을 넓혀야 한다는 게 그의 생각이다. “연구도 중요하지만, 교수의 본질은 교육이라고 생각합니다. 제 연구그룹 학생들이 정말 열심히 공부해서 세계로 나가 넓은 세상을 보고, 선진기술을 습득해 인류와 사회에 이바지할 수 있다면 그보다 더 큰 보람은 없겠죠” 더불어 그는 공학자로서 원천기술에 대한 욕심도 드러냈는데, “기술이전과 상용화를 통해 제가 만든 소재 및 소자가 실제 인류 사회에서 사용되는 것을 보고 싶습니다” 욕심이라기보다는 이도 공학자로서의 본질이라고 표현하는 게 맞을 것 같다. 단체 사진을 찍기 위해 모인 학생들에게 친근하게 다가가는 김영훈 교수의 모습을 보며, 교수지만 때론 친한 형처럼 진지하게 그들의 미래를 걱정해주는 마음이 느껴졌다. 그도 겪었을 그때이기에 누구보다 그 마음을 잘 알고, 그가 겪은 넓은 세상이 그에게 준 ‘선물’을 학생들도 받았으면 하는 바람일 것이다.
 

 

[이슈메이커=임성희 기자] 


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