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3진법이 가능한 초절전 반도체 소자 및 회로 기술 개발

▣미니인터뷰  10월 과학기술인상 선정된  박진홍 성균관대  교수 

미래형 반도체 연구의 지평을 넓힌 점이 높이 평가

인공지능(AI) 프로그램 ‘알파고’는 이세돌 9단과의 대결 이후 1년 만에 세계랭킹 1위인 중국의 커제 9단에게 완승을 거뒀다. 단순한 반복 학습에서 벗어나 스스로 다양한 상황을 만들어 연습한 결과였다. 하지만 컴퓨터가 스스로 방대한 데이터를 분석해 미래를 예측하는 머신 러닝 기능을 활성화하려면 그만큼 방대한 전력이 필요하다. 알파고 하나의 소모 전력은 대략 170kW로 추정된다. 기술의 발달로 AI 활용이 많아지면 이에 따른 전력 사용량도 급증하게 된다. 박진홍 교수는 기존의 2진법 반도체에서 한 단계 발전한 3진법 반도체 소자 및 회로 개발에 성공하면서 초저전력 연구에 청신호를 켰다. 3진법 반도체를 실제 산업 현장에서도 사용할 수 있도록 미국에서 후속 실용화 연구에 매진하고 있는 박진홍 교수에게 들어 본다.

- 10월 과학기술인상 수상을 축하드립니다. 수상 소감 부탁드립니다.

박진홍 성균관대 교수

이달의 과학기술인상을 받게 되어 영광입니다. 수상자 후보로 추천해 주신 성균관대학교 정규상 총장님과 물심양면으로 연구를 지원해주신 성균관대 정보통신대학 노용한 학장님, 또 좋은 연구 성과를 낼 수 있도록 열심히 연구를 수행한 연구실 학생들에게 감사의 마음을 전합니다. 앞으로 더 좋은 연구 성과를 낼 수 있도록 최선을 다하겠습니다.

- 대형계산기로 출발한 컴퓨터는 최근 AI 형태로 발전하며 스마트폰은 물론 자율주행 자동차에 이르기까지 우리 삶에 큰 영향을 미치고 있습니다. 반도체 소자는 컴퓨터 발전을 이끈 핵심부품 중 하나인데요. 교수님께서 소자 연구를 시작하신 계기가 궁금합니다.

제가 석‧박사 학위를 받은 스탠퍼드대학교가 반도체 칩 제조 회사가 많이 모여 있는 실리콘밸리 근처에 있어 많은 교수와 연구자가 반도체 회로/소자와 관련된 연구를 주변 기업체와 공동으로 진행했습니다. 이에 자연스럽게 반도체 소자 산업 및 연구 현장을 자주 접하게 되면서 관련 연구를 시작했습니다.

- 교수님께서는 전압이 오르면 전류가 낮아지는 반도체 소자, 서로 다른 소재를 수직으로 쌓아 만드는 회로 개발 등 기존의 소자와는 다른 독창적인 연구를 진행해 오셨습니다. 주요 연구내용 소개 부탁드립니다.

우선 전압의 증가에 따라 전류가 감소하는 특이한 특성을 갖는 반도체 소자는 여러 반도체 물질을 접합시켜 만들 수 있습니다. 그러나 실리콘, 게르마늄, 3-5족 화합물*과 같은 일반적인 반도체 물질들을 활용할 경우, 각 반도체 물질의 원자와 바

박진홍 교수의 실험실

로 옆 원자와의 거리 값이 다르기 때문에 다양한 접합 형태를 만들기 어렵습니다. 우리 연구팀에서는 재료 표면에 발생하는 결함이 거의 없는 2차원 반데르발스 반도체를 수직으로 간단하게 쌓아 다양한 반도체 이종 접합을 만들어냈고, 이를 통해 앞서 언급된 특이한 전류특성을 지닌 반도체 소자 및 3진법 회로를 개발했습니다.

- 이처럼 새로운 연구주제 혹은 연구방법을 찾기 위한 교수님만의 방법이 있나요?

새로운 연구방법을 결정하고 진행하기 전에 관련 분야 전문가들과의 공동 연구 미팅을 많이 하는 편입니다. 수년 혹은 수십 년간 연구를 수행해 오셨던 분들께 우리가 생각한 연구 아이디어나 진행 방법을 설명해 드린 후 조언을 얻어 시행착오를 줄인 덕에 더 완성도 높은 연구를 수행할 수 있었습니다.

- 교수님께서 개발하신 소자기술을 컴퓨터에 적용하면 기존과 같은 양의 데이터를 처리하는 데 필요한 전력량이 50% 이하로 줄어들 것으로 기대됩니다. 이 같은 결과는 관련 산업에 많은 도움이 될 텐데요. 이를 위해 앞으로 어떤 후속연구가 필요한가요.

현재 2진법 체계로 이루어져 있는 반도체 회로 및 시스템 모두를 3진법으로 대체할 수 있다면 많은 전력을 절약할 수 있을 것으로 기대됩니다. 하지만 이렇게 급격한 변화를 관련 산업계에서 받아들이기는 힘든 실정입니다. 그래서 우리 연구팀에서는 3진법 SRAM(휘발성 메모리) 개념을 실험으로 증명하는 후속 연구를 진행하고 있습니다. 컴퓨터 CPU(중앙처리장치) 내 기존 2진법 휘발성 메모리를 3진법 메모리 소자로 대체하는 일차적인 접근을 통해 어느 정도의 전력량 감소를 기대해 볼 수 있을 것입니다.

- 최근 전 세계적으로 전자공학 분야에서 일어나는 일 중 교수님께서 가장 주목하시는 이슈는 무엇인가요?

제가 주목하고 있는 연구 이슈는 새로운 패러다임을 도입한 ‘반도체 소자/회로의 초저전력화’입니다. 이번 연구 내용을 통해 소개해 드렸던 3진법, 4진법과 같은 새로운 수 체계를 기반으로 하는 반도체 소자/회로의 개발도 이에 해당합니다. 또한 인간의 뇌신경 세포를 모방한 소자/회로를 구현하는 ‘뉴로모픽(neuromorphic) 시스템’ 연구도 주목하고 있습니다.

- 평소 연구실을 운영을 어떻게 하고 있습니까. 더불어 학생들 또는 연구실 구성원들에게 강조하는 내용은요.

현재 연구원들이 진행하고 있는 모든 연구주제는 최소 2명 이상의 연구원들이 할당되어 공동연구 방식으로 진행합니다. 다른 사람의 지식을 서로 활용해 상호보완하며 시너지 효과를 낼 수 있도록 유도하고 있습니다. 또한 “대략 알고 있는 내용이라도 100% 정확하게 이해하도록 노력하고, 이를 다른 사람들에게 설명할 때 애매한 표현과 설명보다는 100% 정확한 용어와 이론으로 표현하자”라고 학생들에게 강조합니다.

- 연구자로서 귀감으로 삼으시는 인물이나 스승과 그 분에게 어떤 영향을 받았습니까.

박사학위 지도교수님이신 스탠퍼드대학교의 크리쉬나 사라스왓(Krishna Saraswat) 교수님을 닮으려고 노력 중입니다. 저를 포함한 많은 학생이 박사학위 연구 중 실수하고, 방향을 잘못 잡아 연구 진행이 느려지더라도 스스로 해결해서 바른 방향으로 나아갈 수 있도록 충분한 기회를 항상 주셨습니다. 또한, 학생들을 지도하면서도 세계적인 학술지에 새로운 연구 성과를 꾸준히 발표하셨습니다. 뛰어난 학자들을 길러내고, 성급하게 연구 성과를 내려 하는 대신 완성도를 중요하게 여기시는 모습을 본받고 싶고, 존경합니다.

- 앞으로 교수님의 연구 분야에서 궁극적으로 도전하고 싶은 목표, 이루고 싶은 연구성과는 무엇인가요.

지금까지 새로운 아이디어를 내고 이를 실험으로 검증해 학술지에 발표하는 식으로 연구를 이어 왔습니다. 앞으로는 검증된 아이디어들이 실제 제품에 활용되는 것을 목표로 연구를 진행할 계획입니다.

- 미래 과학자를 꿈꾸는 어린 학생들에게, 그 꿈을 이룰 수 있도록 도움 말씀 부탁드립니다.

성급한 선행학습을 통한 피상적인 지식의 습득보다는 충분한 시간을 갖고 완전히 지식을 이해해 100% 자기 것이 되도록 공부했으면 좋겠습니다. 이러한 학습과정을 통해 다양한 생각을 해 보면, 이때 확립된 자기만의 생각하는 방법들을 미래에 새로운 연구 분야를 성공적으로 개척하는 데 반드시 유용하게 활용할 수 있을 것입니다.

박진홍 교수의 실험실

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