대한민국 과학기술인상 4월 수상자 심우영 교수 선정

- 자연계에 존재하지 않는 완전히 새로운 III-V족 반도체 소재 세계 최초 제안

- 저전력 인공지능 반도체 및 뉴로모픽 컴퓨팅 기술 발전의 선도자로 주목

수상자 심우영 교수. (자료제공: 과기정통부)

과학기술정보통신부(부총리 겸 과기정통부 장관 배경훈, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 홍원화, 이하 ‘연구재단’)은 대한민국 과학기술인상 4월 수상자로 연세대학교 신소재공학과 심우영 교수를 선정했다고 4월 9일 밝혔다.

대한민국 과학기술인상은 최근 3년간 독창적인 연구 성과를 창출해 과학기술 발전에 크게 기여한 연구자를 매월 1명 선정해 과기정통부 부총리상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다. 과기정통부는 2026년부터 우수과학자 포상의 영예성을 강화하기 위해 기존 ‘이달의 과학기술인상’ 명칭을 ‘대한민국 과학기술인상’으로 격상(시상 명칭의 ‘대한민국’ 상표화<브랜드화>)하여 운영하고 있다.

과기정통부와 연구재단은 과학·정보통신의 날(4.21, 4.22)이 있는 4월을 맞아 자연계에 존재하지 않는 새로운 구조의 III-V족 반도체(주기율표의 3족 원소와 5족 원소를 결합해 만든 화합물 반도체로 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge) 같은 4족 원소 하나로 이루어진 '단원소 반도체'와 달리, 서로 다른 성질의 원소를 조합해 물리적·전기적 특성을 목적에 맞게 조절할 수 있음) 소재를 개발하여 우리나라 반도체 기술의 국제 경쟁력을 강화한 심우영 교수를 수상자로 선정했다.

기존 III-V족 화합물 반도체는 전자의 빠른 이동은 가능하지만, 이온이 움직일 공간은 거의 없어 새로운 전자 기능 구현에는 한계가 있었다. 심우영 교수는 양이온 유택시(cation-eutaxy) 구조(기존 반도체와 달리 양이온이 전기장에 의해 이동할 수 있는 구조)의 새로운 반도체 설계 개념을 제안하고, 일부 원소만 선택적으로 제거하는 토포케미컬 에칭(Topochemical Etching)을 이용하여 이온을 이동할 수 있게 하는 반데르발스 간격(분자나 원자가 서로 강하게 결합하지 않고 약하게 끌릴 때 유지되는 평균 거리로, 이온이 이 공간을 이동하는 과정에서 전기적 저항 상태의 변화 발생)을 형성하였다.

이를 통해 새로운 구조의 III-V 반도체 소재에서 반도체의 전기적 특성과 메모리 기능을 동시에 활용할 수 있음을 입증하였다. 하나의 소재에서 기억과 연산 기능을 동시에 수행할 수 있는 컴퓨트-인-메모리(Compute-in-Memory) 방식은 인공지능 연산에 필요한 에너지 소모를 크게 줄일 수 있어 차세대 저전력 인공지능 반도체 기반 기술로 주목된다. 또한, 인간의 뇌 신경망처럼 신호의 세기와 시간에 따라 연결 강도가 변화하는 신경 접합부(시냅스) 동작을 모사할 수 있어 신경망 모방(뉴로모픽) 인공지능 소자로 활용성이 기대된다.

심우영 교수는 2차원 반도체, 나노소재 등 다차원 소재 연구의 권위자로서, 계산과학을 통한 정밀한 소재 탐색과 실험적 합성 연구를 추진하는 과기정통부 ‘미래 소재 디스커버리 사업(2017~2024)’의 지원을 바탕으로 이번 연구 성과를 이끌어냈다. 해당 연구 결과는 학문적 혁신성과 실용적 응용 가능성을 인정받아 2024년 10월 국제학술지 네이처 머터리얼스((Nature Materials)에 게재되었고, 10월호 ‘이달의 연구 브리핑 논문(Research briefing)’으로도 선정되었다. 또한, 심우영 교수는 지난해에는 나노과학 분야에서 영향력이 큰 학술지(저널) 중 하나인 미국 화학회(ACS)의 학술지 ‘나노레터(Nano Letters)’ 부편집장에 선임되어 국제 학문 공동체에 기여하고 있다.

심우영 교수는 “자연계에 존재하지 않는 새로운 반도체 소재를 우리나라 연구진이 세계 최초로 제안했다는데 더욱 의미가 있고 개인적으로도 큰 보람을 느낀다”며 “앞으로도 우리나라가 새로운 소재 연구를 선도할 수 있도록 꾸준히 도전적인 연구를 이어가고 싶다”고 밝혔다.

과기정통부는 과학기술인들이 창의적인 사고와 미래지향적인 도전을 통해 인류의 삶을 혁신할 원천기술 연구에 전념할 수 있도록 연구 생태계를 조성하고, 우수한 성과를 내는 연구자에 대한 보상과 예우를 더욱 강화해 나갈 계획이다.

[주요 연구성과 설명]

<자연계에 존재하지 않는 III-V족 화합물 반도체 소재 개발>

ㅇ 새로운 III-V 반도체 소재 개발

III-V 반도체는 대부분 zinc-blende 구조를 가지며, 이러한 결정 구조에서는 새로운 전자 기능을 구현하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 고전적인 결정 구조 이론인 폴링(Pauling)의 법칙을 현대적으로 재해석하여 ‘cation-eutaxy’ 구조라는 새로운 반도체설계 개념을 제안했다. 이를 통해 자연계에서는 존재하지 않는 층상 구조의 III-V 반도체 물질을 예측하고 실제 합성에 성공했다. 우선 계산 기반 물질 탐색을 통해 수십 종의 후보 물질을 발굴하고, topochemical etching(위상화학적 선택 제거) 방법을 이용해 일부 양이온을 제거함으로써 층 사이에 van der Waals 간격이 형성된 새로운 결정 구조를 구현했다. 이러한 구조는 기존 III-V 반도체에서는 존재하지 않던 2차원 층상 반도체 플랫폼을 제공하며, 차세대 전자소자와 인공지능 반도체에 활용될 수 있는 새로운 소재 계열을 제시했다.

ㅇ 뉴로모픽 및 컴퓨트-인-메모리(CIM) 소자 개념 제시

연구팀이 개발한 새로운 III-V 반도체 구조에서는 층 사이의 van der Waals 공간을 따라 이온이 이동할 수 있으며, 이 과정에서 전기적 저항 상태가 변화하는 멤리스터(memristor) 특성이 나타난다. 이러한 특성을 반도체 소자와 결합하여 멤트랜지스터(memtransistor) 구조를 구현함으로써, 하나의 소자에서 기억 기능과 연산 기능을 동시에 수행할 수 있음을 실험적으로 입증했다. 이 소자는 인간의 뇌 신경망처럼 신호의 세기와 시간에 따라 연결 강도가 변화하는 시냅스 동작을 모사할 수 있어 뉴로모픽 인공지능 소자로 활용될 가능성을 보여주었다. 또한 하나의 소자 내에서 데이터 저장과 연산을 동시에 수행할 수 있는 컴퓨트-인-메모리(Compute-in-Memory) 방식의 새로운 반도체 소자 개념을 제시했다. 이러한 기술은 인공지능 연산에 필요한 에너지 소모를 크게 줄이고, 차세대 저전력 인공지능 반도체 개발에 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.

<자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 5월호에 소개합니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>