스토리R
작은 틈에서 발견한 원리,반도체 성장의 기준을 바꾸다 서울대학교 이관형 교수
이달의 과학기술인상 수상자의 연구 여정을 돌아보며, 그 속에서 탄생한 주요 성과와 과학기술이 열어갈 미래를 그려봅니다.
반도체 성장의 기준을 바꾸다 서울대학교 이관형 교수
꿈의 신소재라 불리는 ‘그래핀’의 탄생 비화를 아시나요? 원자 한 층으로 이루어진 물질을 흑연에 테이프를 붙였다 떼어내는 너무나 단순한 방법으로부터 얻을 수 있게 되면서 시작되었다고 하는데요. 이때의 실험의 결과는 2010년 노벨물리학상으로 이어졌다죠. 이처럼 혁신의 길은 거대한 설계가 아니라 아주 작은 호기심에서 출발하기도 합니다.
이관형 교수의 연구 여정도 이와 닮아 있습니다. 원자 한 층의 세계에서 일어나는 작은 변화나 차이를 놓치지 않고, 차세대 반도체의 가능성으로 확장해낸 이관형 교수의 이야기를 소개합니다.
이달의 과학기술인상
우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를
매월 1명 선정하여 과학기술정보통신부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상
Chapter 01 인물탐구
이관형1976년생
소속
서울대학교
주요학력
- 2000.03. ~ 2006.08.
서울대학교 재료공학 박사 - 1995.03. ~ 2000.02.
서울대학교 재료공학 학사
Chapter 02 호기심이 이끈 연구의 시작
어린 시절 이관형 교수는 셜록홈즈의 추리소설과 과학책을 즐겨 읽으며, 주변을 세심하게 관찰하는 호기심 많은 아이였습니다. 사물을 바라볼 때마다 자연스럽게 ‘왜 그럴까?’라는 질문이 따라붙었고, 이런 성향은 결국 과학자의 길로 이어지는 원동력이 되었습니다. 이 교수가 선택한 전공은 재료공학. 물질이 어떻게 구성되어 있고, 그 구조가 어떻게 물질의 특성으로 연결되는지 이해하는 과정이 끝없이 탐구할 질문을 던져주는 분야였기 때문입니다. 대학원에 진학한 뒤부터 그의 관심은 한층 뚜렷한 방향을 갖게 됩니다. 당시 ‘나노’라는 개념이 학계에서 관심을 끌던 시기였고, 2010년 그래핀이 보고되면서 ‘원자 한 층짜리 재료’, 즉 2차원 물질이 가진 잠재력에 주목하던 시기였는데요. 이 교수 역시 두께에 따라 성질이 크게 달라지는 2차원 물질의 매력에 푹 빠지게 되었습니다.
“덩어리 상태에서 금속처럼 보이던 물질이 한두 층이 되면 반도체로 바뀌고, 빛과의 상호작용도 달라집니다. 특히 다른 나노 물질과 달리 2차원 물질은 원자층 수준의 두께에서도 결정성을 완벽하게 유지하는데요. 만약 이 변화를 정확히 이해하고 원하는 방향으로 설계할 수 있다면 완전히 새로운 전자 소자를 만들 수 있겠다는 생각이 들었죠. 이러한 호기심을 갖고 탐구를 하다 보니 2차원 물질 합성부터 특성 분석, 소자 연구까지 폭 넓은 연구를 이어갈 수 있게 된 것 같습니다.” 현재 이관형 교수는 서울대학교 나노융합소재연구실을 이끌며 기존 실리콘 반도체의 물리적 한계를 넘어설 새로운 재료와 소자를 찾는데 집중하고 있습니다. 특히 그래핀과 전이금속 칼코겐 화합물 같은 2차원 재료를 웨이퍼 크기로 키우고, 겹겹이 쌓아 새로운 전기적·광학적·열적 특성을 가진 구조를 만드는 데 힘을 쏟고 있죠. 이는 인공지능·자율주행·초고속 통신 등 차세대 기술의 기반을 다지기 위해 꼭 필요한 연구인데요. 최근에는 ‘하이포택시(hypotaxy)’라는 새로운 2차원 반도체의 성장 방식을 개발하며 차세대 반도체 가능성을 활짝 열어가고 있습니다.
Chapter 03
예상치 못한 결과에서 찾아낸
새로운 방식
원자 한 층 두께의 ‘2차원 반도체(Transition Metal Dichalcogenides, TMD)’는 아주 얇게 만들어도 우수한 전기적·광학적 특성을 가져 차세대 반도체 재료로 꼽힙니다. 다만 기존 공정으로는 넓은 면적에서 고품질의 단결정* 2차원 반도체로 성장시키는 데 한계가 존재했는데요. 이러한 난제에 정면으로 부딪혀 탄생한 이관형 교수의 ‘하이포택시(hypotaxy)**’ 공정 기술은 그간 단결정 성장이 어려웠던 표면에서도 고품질 2차원 반도체를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 실제 반도체 제조 공정과의 호환성까지 확보해 차세대 AI 반도체 대량생산의 기반을 넓힐 기술로 평가받고 있습니다.
단결정 : 원자가 규칙적이고 일관되게 배열된 고체 물질로 전기적 특성이 우수해 고성능 반도체에 사용됨 하이포택시 : 금속 박막 위에 단결정 그래핀을 덮은 뒤 황(S)·셀레늄(Se) 기체를 반응시키면 그래핀 표면의 나노 구멍을 통해 기체가 아래 금속층으로 침투해 금속이 2차원 반도체로 변환되며, 이때 그래핀의 결정 방향과 같은 방향을 가지면서 2차원 반도체 핵이 형성되고, 핵이 성장하면서 단결정을 만든 후 그래핀은 자연스럽게 제거됨
“하이포택시 공정은 특정 결정구조를 가지는 기판에 증착하여 위로 결정을 쌓는 기존의 에피택시(epitaxy) 방식과 반대로, 위에 있는 2차원 재료가 아래로 성장하는 결정의 방향을 잡아주는 새로운 반도체 성장 기술을 말합니다. 아래 기판이 아니라, 위에 덮인 2차원 템플릿이 결정 방향을 정한다는 완전히 새로운 관점이죠. 또한 에피택시로 성장시킨 2차원 반도체는 실제 실리콘 칩 위로 옮기기 위해 전사 과정을 거쳐야 했고, 이 과정에서 생기는 오염과 결함의 발생이 큰 문제였는데요. 하이포택시는 성장 과정에서 그래핀과 오염물이 함께 제거되어 매우 깨끗한 표면을 얻을 수 있다는 점도 중요한 혁신 포인트입니다.”
이관형 교수는 이번 성과가 탄생할 수 있었던 비결로 ‘예상 밖의 결과를 쉽게 놓치지 않는 태도’를 꼽습니다. 하이포택시 연구가 처음부터 계획된 실험의 결과가 아니었기 때문이죠. 처음 이 교수는 그래핀을 가스가 투과할 수 없다는 사실을 이용해 그래핀으로 덮힌 금속 박막의 황화를 막으려고 했습니다. 하지만 이 과정에서 반복적으로 나타나는 정반대의 이상한 현상을 관찰하게 됩니다. 보호막처럼 사용하려던 그래핀이 사라지고, 그 아래에 단결정의 2차원 반도체가 형성되던 것입니다. 대부분의 경우 실험의 실패나 실수가 있었을 거라 단순히 넘겼을 상황이었지만, 이 교수는 오히려 예상과 달랐던 결과에 대해 더 깊게 파고들었습니다.
“예상과 다른 현상이 왜 생기는지 하나씩 뜯어보는 과정에서 그래핀에 생긴 나노 구멍과 그 모서리의 강한 상호작용이 성장하는 2차원 반도체의 결정방향을 잡아준다는 사실을 알게 되었습니다. 이것이 ‘위에 있는 2차원 재료가 아래 결정의 방향을 잡아주는 새로운 성장 방식’이라는 아이디어로 정리되면서 하이포택시라는 개념으로 발전한 것이죠. 예상과 완전히 반대되는 결과로부터 시작한 연구였는데, 실패한 연구도 놓치지 않고 집요하게 들여다보는 태도가 좋은 결과로 이어진 것 같습니다.”
Chapter 04 차세대 반도체 시대를 향한 도약
단순히 연구의 실패로 간주할 수 있었지만 ‘왜 그럴까’라는 호기심으로부터 시작된 연구. 기대와 달랐던 실패한 결과에서 출발한 이관형 교수는 집요한 탐구 끝에 ‘하이포택시’라는 새로운 성장 개념과 이론을 세상에 내놓았습니다. 그리고 2025년 2월, 연구의 가치와 중요성을 인정받아 국제학술지 네이처(Nature)에 이 연구가 게재되는 쾌거를 이루었습니다.
한편, 이번 연구는 단순히 새로운 재료를 하나 더 만든 것에 그치지 않습니다. 기존 실리콘 공정 라인 위에 바로 쌓을 수 있는 2차원 반도체 플랫폼을 제시했다는 점에서 산업적 의미가 매우 크죠. 특히 인공지능 반도체, 데이터 센터, 고성능 컴퓨팅처럼 전력 소모와 발열 관리가 핵심 과제로 떠오른 분야에서 높은 열전도도와 낮은 누설 전류를 지닌 2차원 반도체는 이러한 한계를 완화할 수 있는 실질적 대안으로 주목받고 있습니다. 앞으로 이 교수는 하이포택시 공정의 재현성과 표준화를 확보해 실제 반도체 제조 라인에서 구현될 수 있도록 연구를 이어갈 계획입니다. 아울러 하이포택시로 성장한 2차원 반도체를 활용해 로직 소자, 메모리, 센서 등 다양한 시제품을 제작하고 어떤 응용 분야에서 가장 큰 장점을 발휘할 수 있는지 검증하기 위해 준비 중인데요. 작은 단서에서 출발한 연구가 거대한 패러다임을 바꾸는 힘을 보여준 만큼, 앞으로 그가 열어나갈 새로운 반도체 시대의 장면들이 더욱 기대됩니다.
속닥속닥! 못 다한 이야기 연구자 TMI
- 2025년 12월의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하합니다. 뜻깊은 상을 받게 되어 정말 감사합니다. 수상 소식을 듣고 함께 고생한 학생 연구원들이 가장 먼저 떠올랐습니다. 하이포택시 연구는 한두 해 만에 나온 결과가 아니라, 10년 가까이 2차원 재료를 키우고 붙이고 쌓아 보면서 실패와 우연 그리고 집요한 관찰이 함께 만들어 낸 성과입니다. 개인적인 영광이라기보다 많은 연구자들이 함께 쌓아 올린 2차원 재료 연구의 결실이 조금씩 인정받는 신호라고 생각합니다. 앞으로도 ‘실제로 산업 현장에서 쓸 수 있는 재료와 공정’을 만드는 일을 목표로, 기본 원리를 이해하고 기술로 이어지는 연구를 계속해 나가고 싶습니다.
- 어느덧 2025년 마지막 달입니다. 한 해를 마무리하는 소회 부탁드립니다. 연구실과 저 개인 모두 변화가 많았던 한 해였습니다. 하이포택시 연구가 국제 학술지에 실리면서 많은 분들의 관심과 질문을 받았고, 그만큼 후속 연구와 협력 제안도 많이 늘었습니다. 동시에 학교와 학회, 여러 위원회 활동까지 더해지다 보니 시간이 어떻게 지나가는지 모를 정도로 정신없었네요. 특히 12월은 ICAMD2025 국제학회의 프로그램 위원장 활동과 학기 마무리로 더욱 바빴던 것 같습니다. 앞으로는 시간을 내어 후속 연구 방향을 차분히 점검하면서 향후 5년, 10년 계획을 다시 그려보는 정리의 시간을 가지고자 합니다.
- 하이포택시 연구성과를 도출하기까지의 과정에 대해 간략히 소개해주세요. 먼저 예상과 다른 성장 결과를 전자현미경, 라만 분광, 광발광 측정 등 다양한 기법을 동원해 분석했습니다. 그리고 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 그래핀 나노 포어 주변에서 2차원 반도체 씨앗이 어떻게 정렬되는지 이론적으로도 살펴보았죠. 마지막으로 온도와 시간, 가스 농도 조건을 수 없이 바꾸어 가며 재현성과 공정윈도우(Process Window)*를 확인해, 산업 공정에 가까운 조건에서도 안정적으로 같은 결과를 얻을 수 있도록 공정을 다듬었습니다. 이 과정에서 가장 어려웠던 부분은 ‘예상치 못한 결과’를 단순한 오류나 실패로 넘기지 않고 끝까지 들여다보는 인내심을 유지하는 일이었습니다. 그래핀이 사라지고 예상하지 못한 위치에서 단결정이 생기는 현상이 처음에는 실험 실수처럼 보였거든요. 그럼에도 조건을 조금씩 바꿔가며 수차례 반복 측정하고 데이터를 쌓다 보니 하나의 일관된 그림이 드러나기 시작했습니다. 그렇게 연구팀 내부 논의와 외부 전문가들과의 지속적인 토론을 거치며 ‘전혀 다른 성장 메커니즘일 수 있다’는 확신을 키워갔죠. 그 결과 하이포택시라는 새로운 개념을 정리할 수 있었습니다. * 공정윈도우 : 특정 제조 공정에서 원하는 결과를 얻기 위해 지켜야 하는 다양한 공정 변수(온도, 압력, 시간 등)의 허용 가능한 범위
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반도체 기술은 워낙 빠른 속도로 혁신을 거듭하고 있습니다.
우리나라가 AI 시대를 선도하기 위한 학계·산업계·사회 간의 연결 대해서도 생각을 들려주세요. 인공지능 시대를 선도하기 위해서는 ‘좋은 알고리즘(학계)’과 ‘좋은 하드웨어(기업)’가 함께 가야 합니다. 이를 위해 학계는 원천 원리를 깊이 파고드는 동시에, 산업계와 꾸준히 소통하며 실제로 필요한 문제를 잘 이해해야 합니다. 또한 산업계는 학계의 아이디어를 빠르게 시제품과 공정으로 옮길 수 있는 테스트베드를 제공하고, 사회는 이런 도전이 실패하더라도 다시 시도할 수 있는 분위기를 만들어 주어야 하죠. 여기서 대학 연구실이 학계와 산업계 그리고 사회를 잇는 다리 역할을 할 수 있다고 생각합니다. 학생들이 기업과 함께 프로젝트를 수행하고, 현장의 엔지니어들이 학교에 와서 강연과 공동 연구를 하는 문화가 더 활성화되면 좋겠습니다. - 미래 과학기술자를 꿈꾸는 학생들에게 조언 한마디. “속도보다 방향이 더 중요하다”고 말해주고 싶습니다. 남들보다 빨리 가는 것보다, 내가 정말 알고 싶고 해결하고 싶은 질문을 찾는 것이 먼저입니다. 또 과학은 혼자 하는 일이 아니라는 점도 기억했으면 합니다. 함께 고민해 줄 친구와 선배, 후배가 있다면 어려운 순간도 함께 이겨낼 수 있습니다.