실패에서 찾은 새로운 나노구조물

이어 오크리지 국립연구소에서 박사후연구원으로 나노와 마이크로 단위의 박막 기술로 반도체의 불순물과 결함을 줄이는 연구를 하던 이 교수는 1999년 귀국해 포스텍 신소재공학과 교수에 부임하게 됩니다. 하지만 필생의 주제로 삼은 질화갈륨 연구에 필요한 연구비 확보에 어려움을 겪게 됩니다. 위험물인 암모니아를 안전하게 사용하려면 고가의 실험장비들이 필요한데 이에 필요한 연구비를 마련할 수 없었던 것이지요. 고민을 거듭하던 이 교수는 질화갈륨과 특성이 비슷하면서도 안전한 산화아연 연구에서 돌파구를 찾았습니다. 질화갈륨 연구에서 습득한 기술과 새롭게 고안한 장비로 진행된 산화아연 연구는 초반까지 성공적이었습니다. 하지만 차츰 기대하지 않았던 실험결과들이 나오기 시작했습니다. 표면이 매우 평평하고 균일한 박막이 생성되어야 할 자리에 처음 보는 막대형 나노구조물들이 빽빽하게 자리를 잡고 있었지요.

실패한 실험에서 우연히 찾아낸 세계 최초의 투명 전도성 나노막대에 연구력을 집중한 이 교수는 포스텍 젊은 석좌교수 선정, 미국 과학정보기관(ISI)의 ‘10월의 가장 주목되는 논문’, KIST 송곡과학기술상, 대한민국 발명특허대전 대통령상, 제네바 국제발명신기술 전시회 금상의 영예를 안게 됩니다. 2차원 물질에 나노막대와 탄소튜브, 마이크로 LED 등의 나노구조물을 성장시키며 유연한 디바이스 개발의 가능성을 높이던 이 교수의 연구는 ‘그래핀 층을 이용해 쉽게 떼어 다른 곳에 붙일 수 있는 LED’에 대한 논문이 2010년 세계적인 권위지 <사이언스>에 게재되며 더욱 주목을 받게 됩니다.

단결정 기판 위에서만 품질 좋은 발광소자를 제조할 수 있다는 기존의 통념을 깨고 그래핀 층 위에서 질화갈륨 LED를 제조해 쉽게 기판에서 뗄 수 있어 유연한 소자로 응용 가능한 이 기술은 차세대 웨어러블 디스플레이 광원 개발에 청신호를 밝히는 것이었습니다. 하지만 이번에도 역시 발목을 잡은 것은 연구비였습니다. 이 교수는 “연구의 창의성과 지속성보다 외국 연구자의 최신 연구 경향을 좇아야 과제 선정에 유리한 분위기 속에 근 10여 년간 그래핀 기반의 마이크로 LED 관련 연구를 수행하기 매우 어려운 상황이었다”고 아쉬움을 토로합니다.

개별 1차원 나노소재를 이용한 이미지 나노 센서 어레이

독자적인 반도체 기술과 그래핀의 결합

다행스럽게도 2015년 시작된 한국연구재단의 글로벌연구실사업은 가뭄 속 단비와 같은 존재였습니다. 글로벌연구실사업은 뛰어난 기초 원천기술을 보유하고 있는 국내외 연구기관의 협력네트워크를 통해 세계적인 연구성과를 배출하는 것이 목표입니다. 비록 이규철 교수가 독창적으로 개척한 연구 주제인 그래핀 기반의 마이크로 LED 주제와는 직접적인 관련성은 없지만 2차원 나노소재를 이용해서 차세대 전자소자를 제조하는 글로벌 연구실 사업은 그래핀 연구의 세계적 권위자인 김필립 하버드대 교수와 팀을 이뤄 2차원 물질 연구에 더욱 집중할 수 있는 여건을 마련했는데요.

이 교수는 “물리학을 기반으로 한 김필립 교수의 측정기술과 고품질의 2차원 소재를 다양하게 자유자재로 조절하며 제조할 수 있는 독자적인 반도체 제조 원천기술의 융합 연구가 전 세계적으로 경쟁이 더욱 치열해지고 있는 2차원 물질 및 소자 연구에 새로운 이정표를 제시할 수 있도록 노력하겠다”고 힘주어 말하고 있습니다. 한편 양자전자 나노소재소자 연구실에서는 현재 4명의 국내외 박사후연구원과 6명의 박사과정생 등이 무기 나노·마이크로 구조를 이용한 차세대 발광 소재·소자 개발에 힘을 모으고 있습니다.

서울대학교 양자전자 나노소재소자 연구 현장

연구 반짝, 미래 활짝

“그래핀을 바탕으로 산화아연 나노튜브와 질화갈륨 마이크로 LED를 성장시키고 제조하는 기술을 연구하고 있습니다. 학부 시절부터 전공인 물리와 함께 생명과학에도 관심이 많았던 만큼 질화갈륨 마이크로 LED의 광유전학 응용과 산화아연 나노튜브를 이용한 압전·역압전 소자로 사람의 몸과 뇌의 인터페이스를 가능하게 하는데 기여하고자 합니다.”

“차세대 광원으로 주목받고 있는 마이크로 LED 제조를 연구하고 있습니다. 우리 연구실에서는 특히 내구성과 기능성이 우수한 무기물 기반으로 마이크로 LED를 연구하고 있어서 기업들의 관심이 높아지고 있습니다. 이에 따라 특성평가를 예정 중이며 보다 쉽고 간편한 제조공정을 개발해 우리나라의 제조업 경쟁력 향상에 힘을 보태고 싶습니다.”

“차세대 웨어러블 전자소자로 응용 가능한 이차원 나노소재 기반의 트랜지스터 및 양자전자소자 제조를윧 연구하고 있습니다. 특히 우리 연구실에서 자체 개발 제작한 분자빔에피증착법을 이용하여 다양한 조성 및 구조의 2차원 나노소재를 제조하고 있습니다. 이를 기반으로 하버드 대학과 같은 해외 우수 대학 및 연구기관과 공동연구를 수행함으로써 우리의 독창적인 과학 기술을 널리 알리는 데 힘을 보태고 싶습니다.”