[지식인미나니의 과학현장] 동국대 지능형 소재 및 소자연구실서 확인한 국산 라만 분광기의 기술력

동국대학교 지능형 소재 및 소자연구실에는 반도체 물성을 분석하는 국내 첨단 장비가 활용되고 있다. 위브(WEVE)에서 개발한 국산 장비로, 해외 장비보다 경제적이고 성능도 우수해 큰 관심을 받고 있다. 

이에 필자(지식인미나니)가 직접 동국대학교 지능형 소재 및 소자연구실을 방문했다. 이번 현장 취재는 과학기술정보통신부와 KBSI 한국기초과학지원연구원의 지원으로 진행된 '국산 연구 장비 활용 캠페인'의 일환이다. 

먼저 동국대학교 지능형 소재 및 소자연구실은 저차원 소재를 어떻게 설계하고 어떻게 기능을 부여하는 지 연구하고 있다. 반도체는 물성 분석이 선제돼야 하는데, 이런 물성 분석 이해를 바탕으로 가장 최적화된 소자 응용을 전문으로 연구하는 연구실이라고 볼 수 있다. 

지능형 소재(intelligent materials)는 지능적으로 기능을 발휘할 수 있는 소재로, 연구실에서는 저차원 나노 소재를 설계·합성하고 도핑·결함 등의 제어를 통해 기능화된 소재의 물성을 분석한다. 실시간 고도 분석법으로 소재의 물성 발현 메커니즘을 해석하는 연구를 진행하고 있다.

이를 통해 초저전력·고효율 지능형 광·전자소자를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 외부 환경 변화를 감지하고 반응할 수 있는 지능형 소자를 구현할 수 있게 된다. 또한 급증하는 에너지 수요, 환경 오염 이슈에 대응 가능한 차세대 에너지 하베스팅, 촉매, 배터리 분야에 이르기까지 폭넓은 연구를 수행하고 있다.

연구실의 연구를 제대로 이해하기 위해서는 라만 분광법의 개념부터 설명해야 할 것 같다. 라만 분광법은 단색화된 빛이 시료에 닿았다가 반사되어 나올 때 빛의 광자 운동 에너지가 그대로 보존되지 않은 체로 반사되어 나오는 것을 활용하는 기술적 방법이다. 단색화된 레이저(빛) 광자들의 진동수가 샘플을 만나면 바뀌게 되는데, 이때 변화된 진동수를 라만 효과라고 부른다. 

특히 공초점으로써 샘플의 아주 작은 특정 부분을 관측하거나 아예 샘플이 평평하지 않고 울퉁불퉁해도 3차원적으로 분석할 수 있다. 더불어 연구실에서는 VO2(이산화바나듐)이라는 물질을 연구 중이다. 이 물질은 섭씨 약 68도에서 결정구조를 포함한 다양한 물리적 특성이 변화한다. 그래서 전기가 흐르지 않는 물질이었다가 68도를 넘으면, 갑자기 전기가 흐르는 물질로 변한다. 이런 현상을 가진 물질을 ‘강상관계 물질’이라고도 부른다.

기초과학은 분석을 통해 과학적 현상을 규명하는 학문으로 불린다. 기초과학 분야를 지속적으로 연구하기 위해서는 연구 환경에 맞는 장비가 필요하다. 최고의 연구실답게 동국대 지능형 소재 및 소자 연구실에는 국내 최고의 첨단 장비들이 마련돼 있었다. 현장을 찾은 이유도 바로 이 장비 때문이기도 하다. 

연구실로 들어서자 신기한 모양의 현미경을 발견할 수 있었다. 공초점 라만 현미경 시스템인 위브사의 '헤다(HEDA)' 제품이다. 동국대학교 손정인 교수와 함께 개발한 반도체 소재 분석장비이다. 모듈화된 시스템으로 모든 상용 광학 현미경에 손쉽게 호환이 가능하다는 것이 특징이다. 자체 개발 수차 보정 분광기를 사용한 균일한 정보 제공, 높은 투과율 등을 자랑하는 제품이다. 

동국대학교 지능형 소재 및 소자 연구실의 손정인 교수님과 위브가 함께 개발한 것으로 알려졌다. 해당 장비는 융복합물성분석 시스템으로, 쉽게 설명하자면 기존의 소재들의 경우 하나의 물리적인 특성만 분석했는데, 이 제품을 활용하면 동시에 여러 가지 물성을 측정할 수 있다고 이해하면 된다. 

영국, 독일, 미국, 일본 등 해외에서 개발된 제품과 비교해 저렴한 가격대를 형성하고 있다. 가격은 1/3 수준이다. 연구진에 따르면 실제 물성을 분석했을 때 시료의 물성을 분석할 수 있는 성능은 외국산보다 더욱 좋은 수준이라고 한다. 또한 국산이기 때문에 새로운 기능을 탑재하기에 용이하다. 엔지니어분들이 직접 현장을 찾을 수 있기 때문에 호환성 측면에서 탁월하다. 

이 외 영상을 통해 소개한 국산 장비들은 대학교들의 연구 실정에 맞게 한국기초과학지원연구원 KBSI와 국내 기업 그리고 연구원들과의 협업으로 탄생한 국산 장비이다. 현장 취재 결과 국산 장비를 활용해 국내 연구진들의 기초과학 연구가 서서히 빛을 발하고 있다. 앞으로 국내 연구진들의 연구 환경이 개선되고, 기초과학을 더욱 발전시키기 위해 더 나은 국산 제품이 출시되고 활용되길 기대한다. 

한편 20만 유튜버 지식인미나니는 국내외 다수의 기관들과 협업을 통해 직접 현장을 다니며 콘텐츠를 제작하고 있다.