박기복 UNIST 자연과학부 교수(왼쪽에서 세 번째)의 연구실에는 아주 특별한 장치가 있다. ‘내부광전자방출 측정시스템’이다. 실리콘과 같은 반도체 표면에 금속 박막을 올려 다이오드를 만든 뒤 다양한 에너지의 광자를 쏘이면서 전류를 측정하는 장치다. 소자 계면의 전자에너지 장벽을 알아낼 수 있다. 다른 연구실에 없거나 성능이 뛰어나서 특별하다는 게 아니다. 이 장치가 특별한 이유는 바로 학부생들이 만들었기 때문이다.
박 교수는 “연구원들이 직접 만든 측정시스템 덕분에 꿈의 다이오드를 만들었다고 봐도 과언이 아니다”라며 “연구원(윤훈한, 정성철, 최가현, 김준형)들이 2012년 학부생 때부터 지금까지 한 가지 주제를 끈기 있게 탐구해 얻어낸 가치 있는 연구 성과”라고 입에 침이 마르도록 자랑했다. 인터뷰도 연구원들을 자랑하고 싶어서 수락했을 정도라고.
박기복 교수팀에 있는 특별한 실험장치, ‘내부광전자방출 측정시스템’의 모습. | 사진: 아자스튜디오 이서연
내부광전자방출 측정시스템 제작을 주도한 윤훈한 석박사통합과정 연구원(왼쪽에서 다섯 번째)의 이야기도 직접 들어봤다. 윤 연구원은 “1학년 1학기 때 박기복 교수님의 일반 물리 수업을 듣다가 강의에 홀딱 반해서 무작정 연구실을 찾아갔다”며 “교수님께서는 ‘측정 프로그램을 짜는 것부터 한번 해보는 게 어떻겠냐’면서 연구실에 받아 주셨다”고 말했다.
2012년에는 한국과학창의재단에서 지원하는 학부생 연구프로그램 과제로 채택돼 우수상까지 수상했다. 학부생, 그것도 1학년생이 연구실에서 프로젝트를 진행하는 것은 매우 드문 일이다. 박 교수는 “UNIST는 학부생들도 실험실에 들어가서 연구 활동을 경험할 수 있다”며 “오히려 학부생은 논문 실적을 내야 하는 압박이 적기 때문에 즐겁게 연구할 수 있다”고 말했다.
‘내부광전자방출 측정시스템’ 안에서 소자를 시험하는 장면. | 사진: 아자스튜디오 이서연
측정시스템은 ‘랩뷰’라는 소프트웨어를 이용한다. 복잡한 측정 과정의 제어와 데이터 처리를 자동으로 하는 프로그램이다. 이 프로그램을 학부생 때부터 직접 짰다. 그렇기 때문에 원하는 대로 다양하게 실험할 수 있다고.
박 교수는 “기초과학 및 국가 보안 기술 연구의 중심인 미국 로스알라모스국립연구소는 연구원을 채용할 때 직접 새로운 실험 장치를 구축하고 이를 제어하는 프로그램을 만들 수 있는 능력을 요구한다”면서 “우리 연구실에서는 모든 연구원들이 프로그래밍을 배울 뿐만 아니라, 가능하면 실험에 필요한 많은 것들을 스스로 만들기 위해 노력하고 있다”고 말했다.
이 모든 게 본인의 아이디어를 구현할 수 있는 능력을 키우기 위한 것이라 는 게 박 교수의 설명이다.
반도체 산업에 바로 적용 가능
박기복 교수는 반도체와 메모리소자, 그래핀 등 유망한 것들을 연구하고 있다. | 사진: 아자스튜디오 이서연
박 교수가 그토록 자랑하는 연구원들이 만든 꿈의 다이오드는 대체 어떤 것일까. 반도체 표면에 금속막을 증착해 만드는 금속/반도체 접합 다이오드는 역사적으로 가장 오래되고 대표적인 반도체 소자다.
그런데 접합면에서 두 물질의 원자가 뒤섞여 전류 누설이 늘어나는 현상을 피할 수 없어 이상적인 다이오드 제작이 어려웠다. 교수팀은 금속과 반도체 접합면에 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 그래핀을 끼워 넣어 이 문제를 해결했다.
그래핀을 이루는 탄소 원자들의 사이 사이는 양자역학적 전자 밀도가 높아 어떤 원자도 투과할 수 없기 때문이다. 이렇게 다이오드 하나의 성능을 높이면 수많은 다이오드가 사용되는 전자기기나 전기자동차의 효율을 상당히 높일 수 있다. 게다가 반도체 산업에 당장 적용할 수 있는 방법으로 활용 가치가 높다.
특히 이번 연구는 ‘실리콘 반도체의 경우 금속의 종류에 관계 없이 접합면의 전기적 특성이 거의 같다’는 이론적 예측을 확인했다는 의미도 있다. 이 때 연구원들이 만든 측정시스템이 큰 역할을 했다. 다이오드의 전자에너지 장벽을 측정해 이론을 검증한 것이다. 이 연구 결과는 ‘나노레터스’ 1월호에 발표했다.
박 교수는 “스스로 할 수 있어야 유레카의 순간도 경험할 수 있다”며 “앞으로도 연구원들이 숨어 있는 창의성을 드러낼 수 있도록 키워나갈 것”이라고 말했다.
[연구실 人사이드] 일주일에 한 번은 꼭 다 같이 식사합시다
박기복 교수팀이 함께 사진을 촬영했다. 이 연구진들은 모두 스스로 주제를 찾고 답을 찾아내는 선수들이다. | 사진: 아자스튜디오 이서연
연구실의 특징을 묻자 일주일에 한 번은 꼭 모두 함께 밥을 먹는 것이라고 한다. 그게 뭐가 특별할까 싶지만 흔치 않은 일이라고.
윤 연구원은 “다 같이 밥을 먹으면서 편안하게 연구 얘기를 하다보면 풀리지 않던 문제가 풀리는 일도 있다”면서 “연구뿐만 아니라 다양한 주제로 이야기를 하면서 서로 소통할 수 있어서 좋다”고 말했다. 또 “친구들의 이야기를 들어보면 자기 연구 외에 해야 하는 일이 너무 많아서 연구실 부속품이 된 것 같다는 이야기를 많이 하는데, 이 연구실은 전혀 그렇지 않다”고 강조했다.
현수랑 과학동아 기자 | hsr@donga.com
<본 기사는 2017년 3월 ‘과학동아’에 “꿈의 연구실에서 만든 꿈의 다이오드”라는 제목으로 실린 것입니다.>