글로벌 경쟁 치열해지는 반도체 분야

반도체 분야는 현재 국내 총수출의 20% 이상을 차지할 정도로 국가 산업에 기여하는 정도가 타 기술 분야보다 높은 산업이자 기술 분야라고 할 수 있다. 특히, 최근 들어 반도체 기술이 국가 안보 및 전략 기술로 인식되면서 전 세계적으로 반도체 분야의 경쟁이 치열하다. 선진국 중심의 반도체 경쟁 구도에 더해서 세계 반도체 시장의 약 60%를 차지하는 중국과 같은 신흥 반도체 강국이 추가적인 경쟁자로 부상하고 있고, 반도체와 관련된 국가 간 통상 전쟁이 심화하면서 반도체 기술이 국가 전략 자산화되는 상황이라고 할 수 있다. 이러한 대내외적 경쟁 환경에서 반도체 산업 및 기술의 우위를 점해 국가 경쟁력을 향상하기 위해서는 첨단 연구 활동을 통한 독보적인 핵심 기술 확보와 이를 구현하기 위한 핵심 인재의 양성이 가장 중요하다.
4차 산업혁명 시대가 도래함에 따라 인공지능(AI), 사물인터넷, 자율주행차, 엣지컴퓨팅, 모바일 스마트 기기, 6G 통신기술 등 ICT 기술을 바탕으로 하는 새로운 기술혁명이 벌어지고 있다. 반도체 기술은 이런 기술혁명 구현에 가장 핵심적이다. 특히, 공학, 의학, 경제 등 사회 각 분야에서 활용도가 폭발적으로 증가하는 AI 기술을 구현하기 위해서는 방대한 데이터를 효과적으로 처리할 AI 반도체 같은 차세대 반도체 기술의 개발이 요구된다. 이를 선점하기 위한 글로벌 경쟁은 더욱 심화하고 있는 현실이다. 이러한 대내외적 경쟁 환경과 반도체 기술개발의 시급성 및 지속성 등을 고려했을 때, 기존의 대기업 중심의 반도체 기술개발 및 인력 재교육만으로는 차세대 반도체 기술과 시장 점유는 매우 어려울 것으로 예상된다. 이에 최근 들어 정부, 산업체, 학계 공동으로 반도체 분야의 지원방안이 활발히 모색되고 있다. 예를 들어, 차세대 반도체 기술개발 사업(예: 차세대지능형반도체기술개발사업, PIM인공지능반도체기술개발사업 등)과 반도체 인력양성 방안 등이 적극적으로 시도 중인 상황이다.

“필요한 건 다 모았다”… 반도체 특화된 융합 인재 길러

UNIST 반도체 소재·부품 대학원은 2021년 8월에 개원해 올해 만1년을 맞는다. 그간 석사와 박사과정 대학원생을 모집해 반도체 분야에 특화된 교육과 연구 활동을 수행하고 있다.
반도체라는 영역은 대표적인 다학제적 분야로서, 물리, 화학, 재료공학, 화학공학, 전자공학, 기계공학, 산업공학 등의 학문을 기반으로 한다. 또 반도체 소재, 소자, 공정, 장비, 회로 및 시스템 설계와 응용 등 다양한 전문성이 요구되는 분야다. 이러한 다학제적 성격으로 인해 각 대학에서는 반도체 관련 학과에서 반도체 교육 및 연구를 개별적으로 분산해 수행하고 있다. 국내에 설립된 일부 반도체 관련 학부와 대학원은 주로 시스템 반도체 분야로만 한정해 학부 위주의 커리큘럼을 운영하는 상황이다.
하지만 전술한 바와 같이, 반도체 분야는 소재, 부품(소자), 장비, 공정, 패키징 등 여러 관련 기술을 종합적으로 활용해 최종적으로 집적소자 시스템을 구현하는 종합적인 기술을 요구한다. 이러한 각각의 반도체 관련 기술을 포함하는 반도체 생태계를 구축하고 강화하는 게 필요하므로, 반도체 분야에 특화된 교육과 연구활동이 필요하다. 우리 대학원은 이러한 관점에서 개원돼 운영 중이다. 반도체 소재와 부품 관련 전문인력을 양성하고, 관련 분야에서 신산업을 창출해 반도체 기술개발 경쟁에서 우위를 점하기 위한 차세대 반도체 연구 활동을 수행하는 것이다.
반도체 소재·부품 대학원의 주요 활동 목표는 ▲반도체 특화 전문 연구인력 양성, ▲차세대 반도체 원천기술 연구와 개발, ▲산학협력 체계 구축과 이를 통한 반도체 산업 생태계 강화에 기여 등이라고 요약할 수 있다. 반도체 소재·부품 대학원의 인력양성 중심철학은 반도체 특화 교육과 연구활동을 통해 반도체 분야의 리더, 반도체 전문가, 반도체 소재 및 소자 연구자, 반도체 혁신 선구자, 그리고 반도체 분야의 다학제 능력을 바탕으로 국제적 네트워킹과 협업 능력을 갖춘 인력을 양성하는 것이다.

반도체 연구를 현장까지 잇는 ‘실무형 전문가’ 목표

우리 대학원에서는 반도체 소재와 부품 분야 핵심인력을 양성하기 위해 소재, 소자, 공정, 분석기술의 유기적 융합 교육과정을 제공하고 있다. 다학제 특성을 고려해 기존 개별 학과 중심의 교육에서 벗어나, 반도체 소재와 소자, 공정 관련 전 이공계 대학 과정을 총망라한 교육과정을 편성한 것이다. 특히 반도체, 디스플레이, 분석기술을 3대 주요 핵심 교육 분야로 설정해 전문인력을 양성하고 있다. 또 반도체 대기업에서 현업에 종사하는 연구자에게 반도체 실무공정 교육과 반도체 소자 제작을 위한 실험·실습 교육 등을 받을 기회도 마련하고 있다. 실무능력을 갖춘 연구인력을 양성하기 위해서다. 이러한 ‘대학원 중심의 다학제 전문 융합 교육’ 을 통해 미래 첨단 반도체 원천기술을 개발할 수 있는 인력양성을 위한 교육과 연구 환경을 구축했다.
반도체 소재·부품 연구는 소재와 공정기술을 활용해 소자를 제작하고 전기적 특성을 평가하는 수준에 머물지 않는다. 첨단 검사와 분석 인프라를 활용해 소재와 소자의 구조, 조성, 물성, 결합상태 등 다양한 분석 능력을 요구하는 것이다. 우리 대학원에서는 UNIST 내의 나노팹 및 분석지원센터인 UNIST 연구지원본부(UCRF)의 최첨단 인프라를 활용해 신소재 기반 신소자 제작과 분석을 위한 실험·실습 과정을 제공하고 있다. 또 대학원생들은 국가연구과제 중심의 원천연구뿐만 아니라, 산업체와의 산학공동연구에 참여해 원천기술을 산업 현장으로 이어주는 실용적 산학협력 연구도 함께 수행하고 있다. 이러한 최첨단 반도체 특화 교육과 연구활동을 통해 미래 국내 반도체 산업을 이끌어갈 학문적 소양과 창의력을 고루 갖춘 실무형 R&D 전문 리더를 양성하고 있다.

산업체와의 산학공동연구에 참여해 원천기술을 산업 현장으로 이어주는 실용적 산학협력 연구도 함께 수행하고 있다.
이러한 최첨단 반도체 특화 교육과 연구활동을 통해 미래 국내 반도체 산업을 이끌어갈 학문적 소양과 창의력을 고루 갖춘 실무형 R&D 전문 리더를 양성하고 있다.

차세대 반도체? 소자, 공정, 재료까지 다 바뀐다

반도체 산업의 지속적인 성장을 위해서는 차세대 반도체 기술을 반드시 개발해야 한다. 하지만, 현재까지 이어져 온 반도체의 발전은 점차 기술적 한계에 부딪혀 어려움을 겪고 있다. 예를 들어, 기존의 반도체 기술은 무어의 법칙(Moore’s law)을 기반으로 해 소자 크기를 꾸준히 줄여감으로써 성능 향상과 집적도 증가 등을 달성해왔다. 그러나 소자의 크기가 매우 작아짐에 따라 과거의 방법으로 성능 향상을 이루는 게 어려워지고 있다. 따라서, 소자의 성능을 개선하기 위해서 GAA(Gate-All-Around) CMOS 구조가 개발되는 등 소자의 구조와 배치가 점점 복잡해지고 있다. 이는 공정기술이 더욱 고난도가 되고 있음을 의미한다. 즉, 리소그래피와 에칭 공정을 통한 초미세 패터닝, 초미세 박막증착, 도펀트 분포 정밀 제어, 열처리, 배선기술, 패키징 등 다양한 차세대 공정기술의 개발이 매우 중요해지고 있다. 소자 구조와 공정뿐 아니라 반도체 소재도 변해야 기술적 난제를 해결할 수 있다. 기존에는 실리콘을 기반으로 하는 전통적인 반도체 재료를 이용해 소자를 제작했던 것과 달리, 2차원 소재와 다양한 저유전율 및 고유전율 산화막 및 전이금속 질화막, 갈륨 산화막, 실리콘 카바이드, 화합물 반도체 등 다양한 신소재를 이용해야만 원하는 특성을 얻을 수 있는 상황으로 바뀌고 있다.
기술적인 측면에서 보았을 때, 기존의 반도체 기술개발의 패러다임을 바꾸는 새로운 신소재와 신공정, 그리고 이를 이용한 신소자 기반의 차세대 반도체 연구가 필요하다는 것을 의미한다. 특히, 최근 들어 AI반도체 기술이 활발하게 개발되고 있는데, 이는 기존 컴퓨팅 시스템 아키텍처인 폰 노이만 아키텍처, 즉 연산장치와 기억장치가 분리된 아키텍처에서 방대한 데이터를 처리할 경우, 폰 노이만 병목현상이라고 하는 연산장치와 기억장치 사이의 데이터 전송 지연으로 인한 성능 저하와 높은 에너지 소모의 문제가 심각해지고 있다. 따라서 기존의 CMOS 기반 CPU, GPU와 메모리 소자 개발의 차원을 넘어, 인공지능 응용에 최적화된 새로운 신소자와 이를 위한 신소재 연구가 절대적으로 요구되고 있다.

첨단 반도체의 각 분야 전문가를 교수진으로 꾸려

우리 대학원은 이러한 첨단 반도체 연구를 위해 반도체, 디스플레이 및 분석기술의 전문성을 가진 전문가를 교수진으로 모셨다. 이들이 연구하는 분야를 간략하게 소개하면 다음과 같다. 인공지능 반도체 연구로서 상변화 및 산화물 저항 변화 기반 뉴런 및 시냅스 소자와 이를 이용한 인공지능 응용, 고밀도 비휘발성 메모리 및 멤컴퓨팅 소자, 이차원 칼코젠 화합물 반도체 소재 및 소자, 스핀전하 변화 기반 비휘발성 메모리, 로직 및 뉴로모픽 소자, 그래핀 및 MXene 소재 및 소자, III-V 기반 화합물 반도체, CMOS 로직 및 강유전체 기반 신개념 비휘발성 메모리 소자, 양자전도 및 양자정보 소자, 2차원 층상형 반도체 및 열전소재, 비정질 질화붕소 기반 저유전 박막, 용해성 반도체 소재, 스마트 고분자 및 프로그래머블 소재와 이를 이용한 플렉시블 반도체 및 디스플레이 소자, 반도체 양자점 및 나노소재를 이용한 고해상도 디스플레이 소재/공정/소자, 다차원 반도체 소재 및 이를 이용한 고성능 센서 및 에너지 발전 소자, 단원자 제어를 통한 초미세/초정밀 소자, 차세대 EUV용 포토레지스트 소재, 탄소나노소재와 페로브스카이트 소재 및 이를 이용한 전자 및 에너지 소자, 공액 고분자/저분자 반도체 소재와 이를 이용한 유기전자소자, 나노광학기술, 저차원 소재 전자물성 분석, 방사광과 전자현미경을 이용한 반도체 계면 및 물성 분석, 질량분석 기법을 활용한 반도체 조성 및 물성 분석 등 반도체와 디스플레이 소재/공정/소자/분석의 전 분야를 포함하는 연구를 수행하고 있다.
또한, 과학기술정보통신부의 지원을 받아 반도체 소재·부품 대학원, 신소재공학과, UCRF, 전기전자공학과, 시스템반도체공학단, 인공지능대학원이 모두 참여하는 ‘반도체혁신선도연구단’을 출범해, 반도체 신소재/신소자 연구와 시스템 설계, 소프트웨어 기술을 결합한 차세대 인공지능 반도체 시스템 연구를 수행하고 있다.