지난 11월 21일(화), 서울 마포구 상암 아프리카 콜로세움에서 열린 ‘2023 산학 프로젝트 챌린지’에서 본교 대학원 재학생으로 구성된 AGTL 팀(박찬후, 이성훈, 이수현, 조이안, 지도교수 차호영)이 산업통상자원부 장관상을 수상했다.

이번 행사에선 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 ‘산업혁신 인재 성장 사업’의 지원을 받는 석·박사과정 학생들이 산업 현장에서 나타나는 기술적 문제들을 산학 협력을 통해 해결한 성과를 보여줬다. △반도체 △디스플레이 △조선 등의 분야에서 총 489개 팀이 행사에 참여했다. 본지는 AGTL 팀이 개발한 기술과 그 성과를 소개하기 위해 AGTL 팀의 팀장인 이성훈(전자⸱전기공학부 석사) 학우와 인터뷰를 진행했다.

많은 공모전 중 해당 공모전을 선택한 이유가 무엇인지 묻는 질문에 “산업혁신 인재 성장 사업에 우리 연구실이 참여하는데, 해당 프로그램에서 산학 협력을 통해 연구 과제를 매년 진행하고 있다. 감사하게도 작년도에 GaN(질화칼륨) 전자소자 전문 기업인 (주)칩스케이와의 산학 프로젝트 진행 건에 대해 교수님들께서 참여 제안을 해주셔서 이를 계기로 해당 공모전에 참여하게 됐다. 우리가 진행한 연구 주제가 다른 전문가들에게 어떻게 비춰질지도 궁금했고, 이공계 분야 사업에 대한 전반적인 견문도 넓히고자 산학 프로젝트 챌린지에 참여했다.”라고 답했다.

산업통상자원부 장관상 수상 소감을 묻는 질문에는 “예선부터 최종까지 해당 라운드의 심사만 통과하자는 마음으로 참여했고 사실 수상을 기대하지는 않았다. 시상식 마지막 순간까지 우리 팀의 이름이 불리지 않아서 기대를 내려놓고 있었는데, ‘산업통상자원부 장관상에 홍익대학교 AGTL 팀’이라는 말이 들렸을 때 정말 짜릿했다. 대학원 석사 과정 재학 중 이렇게 큰 대회에서 수상하니 ‘우리가 거쳐온 연구 과정들이 헛되지 않았구나’하는 보람을 느꼈다. 팀원들과 지도교수님이신 차호영 교수님께도 감사의 말씀을 전하고 싶다. 팀원들의 노력과 교수님의 지도가 없었다면 이번 수상도 없었을 것이라고 생각한다.”라며 수상의 기쁨을 전했다.

AGTL 팀은 칩스케이와의 산학협력을 통해 GaN 수직형 소자 개발에 집중했다. 우수한 성능과 효율성을 가지고 있는 GaN 전력 반도체 소자는 세계 시장에서 친환경 소자로 주목받고 있다. 그러나 GaN 수평형 소자는 높은 *항복전압을 구현하는 것이 어렵다. 이에 시장에서는 수평형 소자의 문제점을 보완해 △소형화 △경량화 △고효율을 구현한 GaN 수직형 소자에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. GaN 수직형 소자가 시장에서 주목받는 이유는 해당 소자가 전기 자동차를 비롯한 차세대 반도체 응용 분야에서 높은 활용 가치와 기대 효과를 가지고 있지만 아직 기술 개발은 높은 수준을 이루지 못했기 때문이다.

AGTL 팀은 이러한 기술 개발 현황을 고려해 GaN 전자소자 개발 전문 기업인 칩스케이와 협업해 수직형 소자 기술 개발에 대한 산학 프로젝트를 진행했다. AGTL 팀장 이성훈 학우는 “저희 팀이 개발한 기술은 기존 GaN 수평형 소자 대비 수 kV의 고전압을 견딜 수 있으며 소형화와 경량화 및 고효율의 장점을 가지고 있는 GaN 수직형 소자인 PIN 다이오드를 제작했다. 소자의 항복전압을 최대치로 끌어 올리는 에지 터미네이션(Edge termination) 기술을 활용했는데, 쉽게 말해 에지 터미네이션을 위한 소자 모델링에서 실제 공정까지의 전 과정을 진행했다고 생각해주시면 된다.”라고 설명했다.

AGTL 팀은 “에지 터미네이션 설계 과정에서는 수많은 설계 변수들이 발생하는데, 해당 변수들을 반영해 실제 소자를 제작하는 것은 현실적으로 불가능하다. 우리 팀은 이러한 애로 사항을 반영한 엑셀과 매트랩 프로그램을 개발해 소자 설계 시 소요되는 시간적, 물리적 비용을 단축시켰다.”라며 AGTL 팀이 거둔 성과를 전했다.

AGTL은 GaN 수직형 소자를 개발하면서 **온저항을 높이지 않고 높은 항복전압 특성을 얻기 위한 에지 터미네이션(Edge-Termination) 구조를 활용했다. 온저항을 높이지 않고 높은 항복전압을 얻는 것의 이점에 대해서는 “전력 반도체의 경우 투입되는 제품에 따라 필요한 소자도 달라지고 평가할 수 있는 소자의 특성도 여러가지가 있지만, 제일 기본적으로 제작된 소자의 특성을 비교할 때 가장 중요한 것은 온저항과 항복전압이다. 전력 반도체는 전력 시스템의 스위치 역할을 하기 때문에 On/Off 상황에서 소자의 퍼포먼스가 어떤 수준인지 확인하는 것이 중요하다. 소자가 켜져 있는 상황은 온저항과 밀접한 관계가 있고 꺼져 있는 상황은 항복전압과 큰 연관이 있다. 문제는 온저항을 줄여 높은 전류 레벨을 얻고자 하면 소자 구조에 의해 항복전압에서 손실이 발생하게 되고, 반대로 항복전압을 높인다면 저항이 높아지는 문제가 발생했다. 이에 우리는 온저항을 최대한으로 낮추면서도 항복전압의 손실 없이 최대치까지 올리는 것을 목표로 하고 설계를 진행했다. 해당 설계를 위해 에지 터미네이션 구조를 적용시켜 온저항을 최대로 낮추는 동시에 항복전압을 최대치로 높일 수 있음을 확인했고, 이를 통해 우리가 설계한 모델링이 의미가 있다는 것을 소자 제작을 통해 확인할 수 있었다.”라고 설명했다.

기술 개발 과정에서 기억에 남는 일화로는 “에지 터미네이션 모델링 과정이 많이 힘들었다. 전자기학부터 반도체 이론까지 다양한 이론이 접목돼야 하는 과정이었기에 쉽지 않았는데, 지도 교수님의 도움과 여러 논문과 전공 서적들을 찾아보며 공부한 결과, 문제의 실마리를 풀어나갈 수 있었다. 시뮬레이션을 통해 우리가 예측했던 것들이 맞아 떨어지는 순간은 연구 과정에 있어 가장 보람차고 흡족했던 순간이었다.”라고 말했다.

*항복전압: 반도체에서 역방향의 전류가 갑자기 커지는 전압

**온저항: 회로에서 전압이 가해졌을 때 전류의 흐름을 방해하는 값