세계적 기술 선도하는 연구그룹으로 우뚝

최근 10년 사이 LCD, OLED 등 다양한 개념의 평판 디스플레이 소자에 대한 기술 개발이 전 세계적으로 치열하다. 그러나 기존의 실리콘 기반의 TFT 기술로는 극복하지 못하는 한계가 있어 이를 대체할 새로운 채널 활성층 박막재료가 절실히 요구되고 있는 가운데 한양대‘박막 및 나노소자연구실’은 제작 공정을 단순화시켜 비용 절감 및 높은 생산성을 확보한 획기적 공정기술 개발로 국제특허를 출원한데 이어 탄소나노튜브 기반 초소형 엑스선 영상장치의 핵심 원천기술도 확보하는 등 명실공히 세계적 기술을 선도하는 연구그룹으로 주목받고 있다. SCI 논문 69편을 발표하는 등 많은 연구성과를 내고 있는 이 연구실 박진석 교수를 통해 연구현황 및 주요 연구분야를 중점 소개한다.

많은 연구실적과 우수한 연구인력,
연구실의‘자부심’

경기도 안산시 한양대 에리카 캠퍼스의‘박막 및 나노소자 연구실’은 박진석 교수가 지난 1995년 이 대학교에 부임한 이후 1996년에 문을 열었다. 지방 캠퍼스라는 열악한 환경 속에서도 이 연구실은 현재까지 평판 디스플레이, 초고주파 통신, LED 및 태양전지, 초정밀 의료기기 등에 응용될 수 있는 박막 및 나노재료 개발과 다양한 소자응용과 관련한 연구를 수행하며 많은 연구성과를 내고 우수한 연구인력을 배출해 주목받고 있다.

특히 1996년부터 경기도와 과학기술부가 지원하는 우수 지역협력 연구센터(센터명: 전자재료 및 부품 연구센터)사업, BK21 핵심사업, 교육과학기술부 지원사업 등에 참여하면서 반도체 공정실(70평), 분석 및 측정실(30평) 등을 구축해 박막 및 나노소재의 성장 및 물성 분석, 소자의 제작 및 특성 측정을 독자적으로 수행할 수 있는 연구기반을 구축해 연구에 박차를 가하고 있다.

박 교수를 비롯한 연구실 멤버들은 그 동안 이 연구실에서 박사 후 연구원 3명, 박사 5명, 석사 42명 등의 전문 연구인력을 배출한 성과에 큰 자부심을 느끼고 있다. 이들은 현재 삼성전자, 삼성전기, LG디스플레이, LG마이크론, 주성엔지니어링 등 국내 유력 기업들에 진출해 각자의 위치에서 중요한 역할을 담당하고 있다.

이 같은 원동력은 어디에서 나온 것일까. 박 교수는“학부과정에서부터 전공분야를 특성화하고 관련 분야 학문에 대한 체계적인 이론 교육 및 실용적 실습 교육을 강화한 것이 결실을 맺고 있다”고 말했다. 박 교수는 특히 연구실 구성원 간의 긴밀한 협조 및 희생정신, 또한 산업체에 진출한 연구실 선배들과의 지속적인 교류가 밑바탕이 되었다고 덧붙였다.

이러한 토대 위에서 이 연구실은 석사과정에서도 SCI 논문을 독자적으로 한 편 이상씩 발표할 정도로 많은 연구 노하우를 축적하고 있어 눈길을 끌고 있다. 특히 산화물 기반 차세대 투명 디스플레이, 탄소나노튜브 기반 초소형 엑스선 전자원 응용 등의 분야에서 명실공히 세계적 기술을 선도하는 연구그룹으로서 거듭나고 있어 주목받고 있다.

투명 산화물 TFT 제작 가능한 신공법 개발 성공연구팀의 연구분야는 첫 번째 산화물 박막 트랜지스터의 획기적 ‘마스크 리덕션(mask-reduction)’공정기술 개발이다.

최근 10년 사이에 전세계적으로 다양한 개념의 평판 디스플레이 소자에 대한 기술 개발이 치열하다. 특히 액정 디스플레이(LCD) 및 유기발광 디스플레이(OLED) 등은 성능 향상이나 상용화 측면에서의 기술 개발이 가장 성공적으로 이루어지고 있는 것으로 평가되고 있다.

이들 평판 디스플레이의 능동(active-matrix) 구동방식을 위한 소자로는 박막 트랜지스터(TFT)가 주로 사용되고 있다. 그러나 기존의 실리콘 기반의 TFT 기술로는 극복하지 못하는 한계가 있어 이를 대체할 새로운 채널 활성층 박막재료가 절실히 요구되고 있다.

현재 활성층 박막재료로서 산화물 반도체를 이용한 투명 TFT의 구현에 전세계적으로 연구 개발의 초점이 모아지고 있다. 박 교수에 따르면 “산화물 TFT의 경우 거의 다결정 실리콘 TFT 수준의 높은 전계효과 이동도를 가질 수 있을 뿐 아니라, 상온 또는 250℃ 이하의 저온 공정이 가능하다”며“광학적으로도 가시광선 영역에서 투명한 소자를 구현할 수 있기 때문에 가까운 미래에 창문이나 자동차 앞유리, 또는 안경 렌즈 등에 비디오 영상을 표시할 수 있는 투명 디스플레이 기술이 마침내 현실화 될 전망”이라고 말했다.

현재 국내외 많은 TFT-LCD 업계에서는 TFT 소자의 높은 전계효과 이동도를 구현하는 것과 더불어 제작 공정을 단순화시켜 비용 절감 및 높은 생산성을 확보하는 것이 최대 관심사다. 기존 실리콘 기반의 TFT-LCD 패널을 제작하기 위해서는 TFT 소자 영역과 화소전극 영역을 따로 형성해야 함으로 인해 4~5 마스크(mask)를 이용하는 복잡한 공정 절차를 거쳐야 한다.

이를 혁신적으로 해결하기 위해 이 연구실에서는 투명 산화물 박막을 채널 활성층 및 소오스-드레인 전극과 화소전극으로 사용하고, 자체 설계 및 제작한 그레이-톤 마스크를 이용해 한번의 공정만으로 채널 활성층, 소오스-드레인 전극층 및 화소 전극층을 동시에 형성시킴으로써 2-마스크에 의한 투명 산화물 TFT 제작이 가능하도록 한 신공법 개발에 성공했다.

박 교수는 이에 대한 원천기술 확보를 위해 2건(‘2개의 포토마스크를 이용한 박막 트랜지스터의 제조 방법’과‘디스플레이용 박막 트랜지스터 및 이의 제조방법’)의 국내 특허를 등록한데 이어 현재 국제특허도 출원 중에 있다. 박 교수는 “이렇게 개발 완료된 기술은 TFT-LCD 패널제조로 유명한 국내 대기업에 기술이전을 추진할 예정”이라며 “이를 통해 보다 값싸고 화질이 우수한 LCD TV 등의 평판 디스플레이가 널리 보급될 것”이라고 말했다.  

초소형 고분해능 X선 튜브의 상용화 기술 개발
이 연구실의 두 번째 연구분야는 탄소나노튜브 기반 초소형 엑스선 영상장치의 핵심 원천기술 확보다.

엑스선 영상기기는 신체 거의 모든 부위에 대한 진단 영상의 60%를 차지할 정도로 가장 많이 사용되는 영상진단 장치다.

특히 고령화 시대에 접어들어 암 발생이 증가함에 따라 이러한 암의 조기진단을 위해서는 영상진단이 필수적이다. 기존의 엑스선 영상 진단장치는 음극에 금속 필라멘트를 가열해 열전자를 방출하는 원리를 이용하고 있으나, 구조적인 문제로 소형화가 불가능하고 높은 동작 온도로 인해 수명이 짧고, 낮은 응답속도로 인해 시간해상도의 제약이 따르는 문제점을 안고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 전세계적으로 마이크로 포커싱 기능과 다양한 에너지의 도출이 가능한 엑스선원 개발에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. 박 교수는 “우리 연구실에서는 교육과학기술부의 지원을 받아 전자방출 특성이 가장 이상적인 나노 물질로 알려지고 있는 탄소나노튜브를 냉음극 전자원으로 장착한 초소형 고분해능 엑스선 튜브의 상용화 기술을 개발하고 있다”고 밝혔다.

이러한 기술은 전세계적으로도 아직 태동기 단계의 기술로서, 생체 이미징 기술 확보와 더불어 정상조직에 대한 방사선 피폭의 우려 없이 암 부위만을 선택적으로 치료하는 신개념 근접 치료기술의 개발을 통해 생명과학 및 의료분야 연구에서 향후 경제적,사회적 파급 효과가 매우 클 것으로 예상되고 있다.

한편, 박진석 교수는 서울대 공과대학 전기공학과를 졸업하고 동 대학원에서 석사와 박사학위를 취득한 뒤 영국 캠브리지대학 연구원(1993~1995)과 캐나다 브리티쉬 콜럼비아대학 방문교수(2004~2008)로 활동했다. 한양대 전자재료 및 부품 연구센터 부소장(2002~2005)을 역임한 뒤 2010년부터 현재 한양대 공학교육혁신센터 센터장 및 한양대 공학대학 전자시스템공학과 교수로 재직하고 있다.

주요 연구실적으로는 SCI 논문 69편을 비롯, 학술진흥재단 등재 국내 논문 64편, 국제 컨퍼런스 89편, 국내 학회 102편과 ‘Best Paper Award in International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films’수상경력을 갖고 있다.