성신여대 청정융합에너지공학과 한혁진 교수 ‘위상 금속 나노구조체’로 미래 반도체 핵심 소재 토대 마련해

성신여대 청정융합에너지공학과 한혁진 교수. 성신여대 청정융합에너지공학과 제공

반도체 배선은 전통 학문인데다 기술이 완성된 상태여서 새로운 대안을 제시하기 쉽지 않으나 과감한 도전을 통해 구체적 성과를 낸 신진 연구자가 있다. 성신여자대학교 청정융합에너지공학과의 한혁진 교수가 그 주인공이다. 

한 교수는 나노 단위 소재를 합성해 새로운 물질을 만드는 연구자답게 미개척 분야 연구에 도전하기를 좋아한다. 카이스트에서 박사 학위를 받고 미국 예일대에서 실리콘/금속산화물과 같은 전통적인 소재가 아닌 위상 금속을 주제로 새로운 나노 구조체 제어법에 대해 연구한 그는 글로벌 탄소중립 기조에 맞춰 에너지 소비 감축을 목적으로 자신이 만든 새로운 위상 금속을 반도체 배선에 적용했다. 

이후 반도체 구리 배선을 대체할 특성이 있는 위상 금속 나노구조체를 반도체 배선 소재로 사용할 가능성이 있다는 내용의 논문을 작성했으며 이는 저명한 국제학술지 에 게재되었다. 

이 연구 성과를 계기로 성신여대에 부임한 한 교수는 ‘구조제어 나노물질 연구실’을 개설하고 기능성 나노 물질 합성/제작, 기능성 나노 물질을 이용한 응용 소자 제작 등 두 가지 테마로 연구하고 있다. 한 교수 연구팀은 가천대학교, 미국 코넬대학교와 공동 연구를 진행했다. 차세대 반도체 배선 소재로 꼽히는 위상 금속은 표면 전자의 산란이 없는 이상적인 전도체를 형성하는 특성을 지녀 기존 배선 소재인 구리를 대체할 수 있는 것으로 알려졌다. 

하지만 위상 금속을 반도체 소재로 활용하려면 나노 구조의 위상 금속 합성이 필수인데 주로 벌크 형태로 위상 금속 합성 연구가 진행돼 나노 규모에서의 위상 금속 결정화 과정을 밝히기가 어려웠다. 

공동연구팀은 반복 연구․실험을 통해 1차원화된 위상 금속 물질 텅스텐 포스파이드(WP) 결정화가 35nm 이하 영역에서 선폭의 영향을 받아 이인화 텅스텐(WP2)으로 새롭게 결정화되는 경로를 세계 최초로 규명해냈다. 관련 연구 논문은 인용 지수가 높은(16.6) 세계 최상위 저널 7월호(온라인판)에 게재됐다. 

2024 일간스포츠 선정 혁신한국인 파워코리아 대상을 수상한 한혁진 교수는 “위상 금속 결정화 과정을 밝힌 것은 미래 반도체 핵심 소재 및 공정 기술 개발에 중요한 토대를 마련한 것일 뿐만 아니라, 나노 단위 위상 금속 결정화 연구의 단초를 제시하고 향후 초고집적 반도체 개발의 새로운 길을 연 것”이라고 말했다.