<대담 및 정리>
유 상 임_ 서울대학교 재료공학부 교수
김 창 열_ 한국세라믹기술원 나노융합지능소재팀 팀장

2013년 10월 18일 제주 국제컨벤션센터에서 개최된 한국세라믹학회 추계연구발표회에서 일본 동경공업대학의 세계적인 석학 호소노 교수의 기조강연이 있었다. 강연 후에 학술대회 조직위원장인 서울대학교 유상임 교수와 한국세라믹기술원 나노융합지능소재팀장 김창열 박사가 세라믹 소재에 대한 그의 소견을 듣는 시간을 가졌다. 이에 세라믹코리아는 반도성세라믹 특집과 관련하여 한국세라믹기술원의 자료를 협조받아 대담내용을 게재하고자 한다.

호소노교수는 IGZO 투명 산화물반도체를 개발한 계기에 대한 설명에서 통상의 비정질 광학 소재에서 산화물 비정질 전자소재로 연구테마를 바꾸어 연구하던 중에 이 비정질 투명 산화물 반도체를 세계 최초로 개발할 수 있었다고 한다. 이러한 원천기술 개발 결과를 일본 기업에서는 전혀 관심을 두지 않았지만 디스플레이 소자로 발 빠르게 적용한 것이 놀랍게도 한국의 대기업이라고 밝혔다. 국적을 떠나 본인의 연구결과가 실용화되는 것에 크게 만족하다고 소감을 밝혔다.
본인의 소신은 소재의 응용과 제품화는 당연히 기업 주도의 몫이고, 전문 연구자는 보다 원천적으로 새로운 소재의 개발에 관심을 두어 도전함으로써 창의적인 연구결과를 얻을 수 있다는 것이다. 실용화 연구는 여러 공학적 요소가 결합되어야 하므로 기업이 잘할 수 있고 전문연구자는 이런 연구 주제에 대해 경쟁력이 떨어지므로 당연히 원천소재 개발에 초점을 맞추어야 하며, 더구나 실용화 연구보다도 훨씬 파급효과가 크다는 것이다.
세라믹소재 발전을 위해서는 첫째, 기초 원천 창의소재 연구에 보다 많은 관심을 가져야 한다고 강조하였다. 새로운 소재를 찾는 자신의 전략은 초전도체 연구를 출발점으로 하고 있다고 한다.
호소노 교수는 이미 철계 세라믹 초전도체를 세계 최초로 개발한 바 있다. 일본의 아주 우수한 대학원생들은 새로운 초전도체 연구를 가장 선호한다며, 본인의 경우 새로운 초전도체 발견하려는 과정에서 신소재가 합성되면 초전도체에만 집착하지 않고 이 소재에 대해 여러 다른 분야의 적용 가능성을 살펴봄으로서 보다 더 창의적인 연구결과를 얻는 동력이 되고 있다고 한다. 둘째, 향 후 연구자가 어느 한 분야의 전문성으로 갖는 한계를 넘어 서로 다른 분야의 연구자와 융합함으로서 새로운 창의적인 연구결과를 얻을 수 있으므로 독립연구보다 다양한 분야의 그룹연구를 통해 소재 발전이 이루어 질 것으로 예측하고 있다. 셋째, 한국은 디스플레이 및 반도체 분야에서 이미 세계적인 기업이 있기 때문에 이를 뒷받침할 수 있는 소재개발에 보다 더 많은 투자 및 지원이 있어야 한다며, 이를 위해서 보다 많은 우수한 연구자들이 도전적이고 창의적인 연구를 통해 원천소재개발에 주력해야 한다고 강조했다.

Q : 얼마만의 한국방문이신가요? 그동안 한국의 연구자들과의 교류에 대해 말씀해 주시겠습니까?

올 해 세 번째 방문으로 삼성, LG와 자주 교류하고 있다. 삼성은 특히 자주 만나고 있으며, 삼성을 통하여서 좋은 협력관계를 맺고 있다. 내 포닥으로 있던 한국인 박사가 교수가 되었는데, 그를 통하여 한국 연구자가 매우 우수하다는 것을 알 수 있었으며, 이미 5년 전부터 SKKU(성균관대)의 초빙교수로 있다.
산화물 반도체인 IGZO (In2O3-Ga2O3-ZnO)에 대한 연구는 JST를 통하여 연구비를 지원받았으며, 일본 업체들이 이 소재를 양산화하는 데에는 흥미 있어 하지 않았고, 삼성디스플레이가 이를 양산화하는데 관심을 가졌다. 삼성일렉트로닉스가 IGZO TFT를 이용한 LCD에 관한 연구결과를 발표하였으며, 기존의 비정질 실리콘으로 디스플레이를 구현하는데 충분하다고 생각하고 있었다. 이후 삼성의 발표를 통하여 다른 업체들도 여기에 참여하기 시작했다.

Q : IDW삿포로(디스플레이 워크숍)때에 보니 일본 업체들도 옥사이드 TFT를 열심히 하고 있던데요?

이유는 잘 모르겠지만 삼성도 아마 새로운 제품을 준비하고 있을 거라고 알고 있다. 샤프는 이미 iPhone용으로 양산을 시작한 것으로 알려졌다. 그것은 기업비밀이라 자세한 사항은 잘 모르겠다.

"비정질 광학소재에서 비정질 반도체 소재로
연구분야를 전환"

Q : 산화물반도체 분야에서 세계적 명성을 얻고 계신데, 이 분야를 연구하시게 된 계기 및 산화물반도체의 중요성에 대해 설명해 주세요. 
나의 박사과정에서 광학유리를 전공했다. 석사 때 지도교수인 카즈노부 타다나가 (ETL 일렉트로테크니컬 연구실) 비정질반도체 전문가이다. 그는 비정질반도체의 선구자이다. 그의 컨셉은 새로운 세션을 만드는 것이었으며 포토닉의 구조를 바꾸는 게 목표였다. 그 당시 일본의 컨셉은 비정질반도체를 산업에 적용하는 것에 중점을 두고 있었다. 박사를 마치고 연구소 생활 20년 후, 나고야에서 도쿄로 왔을 때 그 간의 연구분야를 모두 접고 새로운 분야인 전자소재에 대해 흥미를 갖고 연구하기 시작했다.
비정질 실리콘을 대체할 수 있는 소재의 개발 필요성에 주목했다. 그래서 산화물 반도체를 연구하게 된 계기가 되었다. 보통 유리상 (비정질상, 결정질이 아닌 고체상태)을 만드는 사람들이 반도체에서는 필요 없다고 버리는데, 소재 디자인 개념에 대해 이미지를 만들어 봤다. 산화물반도체가 결정질과 유사한 정도로 전자 이동도 (전자가 일정전압을 인가하였을 때 빨리 움직이는 정도)를 보인다. 실리콘반도체는 SP오비탈에서 결정질이 돼서 빨리 움직이는데, 산화물 반도체의 경우 비정질이면서도 전자가 그런 구조 때문에 잘 움직인다는 걸 알게 됐다. 이러한 산화물반도체 트랜지스터를 이용하여 플렉시블 일렉트로닉스에 응용하는데에 사람들은 관심을 갖게 되었다. 플렉시블 일렉트로닉스에 유기반도체 (organic semiconductor)를 사용하는데, 투명전극 위에 유기반도체를 형성하기 위해서 원자수준으로 편평한 투명전극 ITO 소재를 코팅하는 연구를 진행하였다. 또한, 보통 인듐갈륨옥사이드에서 전자의 이동도가 10cm2/VS의 속도를 갖는 것을 실현하였는데, 이는 비정질 실리콘에 비하여 전자이동도가 100배 빠른 걸 의미한다. 유기 TFT는 전자의 이동도가 0.1cm2/Vs로 매우 느린데, 한국 회사들이 신소재를 찾다가 IGZO TFT에 관심을 가지게 되었으며 지금은 산화물반도체 TFT에 대한 수요가 생겨 많은 관심을 받고 있다.
 
"현재 중점연구분야는 p형 반도성세라믹소재,
전력용 반도성소재와 초전도체"

Q : 앞으로 산화물반도체 중에서 특히 중점적으로 연구개발이 집중되어야 할 분야는 어떤 분야로 보시는지요?
우리 연구실이 지금 집중하고 있는 연구분야의 하나가 P 타입 반도성 세라믹소재이다. CMOS가 가능하기 때문에 우리는 P타입 TFT의 선구자가 될 수 있다. P형 반도성 세라믹소재의 경우 전자이동도가 낮은 것이 가장 큰 문제이고, 다음은 안정성이라고 할 수 있다. P타입 반도성 세라믹소재는 n형 반도성소재에 비하면 그 종류가 매우 한정되어 있다.
미래에는 파워 일렉트로닉스도 아주 중요하다. 일본은 원자력발전소 문제로 석유가 중요하다. 에너지 절약을 위해 파워 소모량이 중요하다. 산화물은 큰 밴드갭을 가져 전력용 반도체소재로서 매우 유용한 물질이라고 할 수 있다. 갈륨산화물 Ga2O3 단결정으로 만드는 게 쉽다. SiC, GaN 단결정 보다 월등히 쉽다. 갈륨산화물 같이 밴드갭이 큰 소재를 사용하는 연구가 이루어지고 있다. SiC와 GaN의 경우 단결정으로 만드는 게 어렵다는 것이 단점이고, 또한 이로 말미암아 소재제조 비용이 크다는 것이 문제이다. 하지만 산화갈륨의 경우 제조가 그에 비해 어렵지 않은 반면, 반도성 산화물 소재에서는 SiC, GaN와 같은 높은 전자이동도를 구현하는 것이 난제이다. IGZO 경우에는 전자이동도가 비정질 실리콘에 비해서 높은 것을 구현하는 것이 가능했기 때문에 빨리 바꿀 수 있었다. 우리는 실리콘 반도체와 비교했을 때 플렉시블 전자시대에는 산화물반도체가 보다 더 유용하게 적용될 것으로 생각된다. 또한, 상온에서 열을 받았을 때 견딜 수 있는 유일한 소재라는 장점도 갖고 있다.

Q : 2차원 전자화물 (Electride)에 관한 연구결과를 최근 한국 연구팀과 함께 내놨다. 어떤 의미가 있고 응용분야는?
일렉트라이드는 신소재이며, 뉴프론티어라고 본다. 기초 과학과 애플리케이션의 중간단계라고 본다. 일렉트론-일렉트라이드는 산소-산화물의 관계와 같은 것이다. 이의 용도론는 2차원 전자화물에 촉매를 담지하여, 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 생성하는 데에 적용이 가능하다.
 
"반도성세라믹소재-초전도체 소재 연구분야의 상호적용을 통한 신소재 개발 기초원천소재 개발이 더 중요"

Q : 산화물반도체 이외에 현재 연구하시는 분야는 어떤 것이 있는지요?
초전도체에 대한 연구를 하고 있다. 우리는 철(Fe)계에 대한 초전도체 소재조성에 대한 원천기술을 보유하고 있다. 초전도체에 비하면, 반도체 소재에 대한 연구는 상대적으로 쉽다고 생각한다. 초전도체 소재에 대해서는 많은 한계를 돌파해야 하는 어려운 연구분야이고 또한 경쟁도 심하지만 도전할만한 분야라고 생각된다. 이런 분야에서 스마트한 연구자들과 경쟁하는 것이 좋고 또한 새로운 아이디어를 내는 것이 나는 즐겁다고 생각한다. 구리 베이스가 아니라 철 (Fe) 베이스로 처음 발명한 다음, 이 소재에 대해 6000여편의 연구논문이 쏟아져 나오고 있다. 일본에서는 학생들 가운데 스마트한 학생의 경우 도전적인 주제인 초전도체에 대해서 연구하고자 한다. 한국에는 초전도체를 연구하고 있는 사람들이 많지 않다. 미국, 일본, 독일과 중국 연구자들이 많은 흥미를 갖고 연구하고 있으며, 대규모 연구비가 지원되고 있다. 내가 신소재를 연구하는 전략 중의 하나가 초전도체를 하면서 얻은 새로운 아이디어를 반도체 분야에 적용하는 것이다. 한 분야에서 연구하다가 얻은 아이디어가 다른 분야에서 새롭게 적용될 수 있는 것이다. 예를 들어서 초전도체를 연구하다가 IGZO라는 산화물 반도체 조성을 새롭게 개발할 수 있었다. 너무 한 분야만 연구하면 새로운 소재를 찾을 포텐셜이 낮다고 할 수 있다.

Q : 산화물 방식 디스플레이 등은 벌써 상용화 됐고 고부가가치를 창출하고 있다. 산화물반도체의 미래를 어떻게 보는지?

내가 관심을 갖는 분야는 기초과학, 원천기술분야로 신소재를 발굴하는 것이다. 기본적으로 대학과 연구소는 원천소재기술을 개발하는 데에 많은 노력을 기울여야 하는 것으로 생각한다. 기술을 상용화 하는 것은 기업과 산업계가 해야 할 일이라고 생각한다. IGZO는 이미 내 손을 떠났고, 이를 응용한 상품화는 기업이 잘 수행할 것이라고 생각한다. 우리는 기초분야에 관심이 있다. 이 분야에 집중적으로 연구개발 지원하는 것이 매우 중요하다.
 
Q : 정부지원은?
20년간 정부 지원을 받아왔다. JST는 원천기술 연구에 대해서 재정을 지원하는 단체이다. 반면, 산업부는 기초연구에는 지원을 하지 않는다. 오로지 상용화에 너무 관심을 갖고 열을 올리면 새로운 결과를 얻기 어렵다. 가장 중요한 것은 연구 결과물이라고 생각한다. 너무 상용화에 치우치면 신소재와 같은 새로운 연구결과물이 나올 수 없게 된다. 유행을 따라가면 모두가 유사한 연구를 하게 된다. 그러면, 독창적인 연구를 하거나 선구자가 될 수 없다. 나는 많은 연구자가 선호하는 인기있는 연구보다는 신소재를 찾는데 주력해 왔다고 할 수 있다.

Q :  향후 한국과 공동연구를 해보실 생각이 있으신지, 있다면 어떠한 연구분야인지 궁금합니다.
연구비의 경우 일본 JST에서만 지원을 받았다. 삼성 리서치는 펀딩과 상관 없이 결과를 요구하지 않는다. 삼성이 내놓은 아주 훌륭한 디스플레이를 만드는 데 같이 협력을 했는데 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 한국 학생들은 매우 훌륭하다. 한국 학생들은 항상 유행하는 토픽을 캐치하려고 하는데 기초 연구가 훨씬 중요하다고 본다. 학생 때는 특히 그렇다. 애플리케이션 리서치는 언제든지 할 수 있다. 미래 애플리케이션을 위해서는 기초연구가 보다 더 중요하다고 할 수 있다.
 
"일본소재개발의 원천은 금속제련과 세라믹,
기초소재개발에 대한 정부지원 "

Q : 일본의 소재산업, 특히 세라믹 산업이 매우 강한데, 그 힘은 어디에 기인한다고 생각하시는지요? 일본 사람들은 보다 더 정교하고 작은 부분에 관심이 많기 때문에 소재기술이 강하다고 생각하는지?
일본의 소재의 근원은 금속제련에서 시작한다고 볼 수 있다. 광물로부터 금속성분을 제련한는 것으로부터 일본 소재가 발전할 수 있었다고 생각한다. 도호쿠대학의 혼다 교수의 철강 제조가 소재개발의 시작이다. 1980부터 세라믹 열기가 일본에 불었다. 세라믹 엔진을 만들자고 했다. 그 프로젝트는 실패했다. 그래서 세라믹 리서치가 점점 줄어들게 됐다. 일본 전자산업이 강하니까 전자소재분야가 강하다고 할 수 있다. 세라믹업계에서는 교세라와 무라타, NGK 등이 세계적인 기업들이 소재산업을 키워왔다고 생각한다.
한국이 이제는 전자산업 분야에서 강국이 됐으니 소재에 대한 관심이 클 것으로 생각되고 이를 뒷받침할 수 있는 소재산업이 발전해야 된다고 생각한다. 특히, 한국은 반도체산업이 강하기 때문에 이에 대한 연구는 계속 진행해야 한다고 생각한다.
개인적으로는 이런 소재분야의 기초적이면서 원천기술에 대한 투자가 이루어져야 한다고 생각한다. 또한, 기존의 것을 카피하거나 잘 만드는 한계에서 벗어나 새로운 개념의 소재들이 도입하여야 할 시기가 도래한 것으로 볼 수 있다. 이것은 한국의 정부에서 추진하고 있는 창조경제와도 연계되어 있다고 생각한다.
 
디스플레이,
반도체를 뒷받침할 소재원천기술 및 융합기술 개발 중요

Q : 한국의 세라믹소재 산업발전을 위한 제언을 해주신다면?
한국은 디스플레이, 반도체에서 세계적인 리딩 회사를 가지고 있다. 이제 그 다음이 중요하다고 볼 수 있다. 중국은 엄청난 연구비 투자와 세계에 흩어져 있는 우수한 인력으로 인해 과학기술의 발전속도가 엄청나게 빠르다고 할 수 있다. 예를 들어서, 새로운 소재가 개발되어 연구논문이 발표되면, 일주일 내에 중국에서도 같은 연구가 이루어져서 소재에 대한 분석이 이루어지고 있는 것을 보고 놀란 적이 있다. 이러한 가운데 디스플레이, TV, 메모리 반도체와 같은 시스템과 부품의 제조 분야와 이를 뒷받침할 소재개발에 균형을 맞춰야 한다. 그리고 기초 연구 분야에 많은 투자를 하길 바란다. 소재개발에는 “인내하고 인내하고 인내하라”고 조언하고 싶다. 소재에 대한 연구성과를 얻으려면 수많은 인내와 중장기적인 연구투자가 필요하다.
연구개발 통계에 따르면, 신소재를 개발하는 데에는 평균 18년이 걸리는 것으로 되어 있다. 그러나 이러한 연구기간이 점점 짧아지고 있다. 인내하는 시간이 이제는 점점 줄어들고 있으며, 경쟁관계가 보다 더 치열해지고 있다. 데이터마이닝과 빅데이터 기술이 새로운 소재를 연구하는데 많은 도움을 주고 연구기간을 더 짧게 할 것으로 생각한다. 하지만 가장 중요한 건 연구자이다. 이제는 잘 하는 기술분야, 소재를 어떻게 융합할 수 있는가가 더 중요하다.
한국은 디스플레이에서는 자이언트가 됐다. 중국이 매우 빨리 추격하고 있고, 미국, 유럽으로부터 많은 우수한 연구자들이 중국으로 와서 반도체와 디스플레이를 개발하고 있다. 이제 새로운 기술의 독점은 3개월이면 끝난다. 차이니즈 아메리칸이 매우 많고 중국인은 어디에나 있다. 이제 세라믹은 전통분야만 바라보아서는 안되며, 또한 세라믹 한 분야에만 머물러서도 안된다고 생각한다. 많은 유기소재와 세라믹 소재는 융합화 될 것으로 보인다.
 
호소노 교수의 최근 주요 논문
1. Kawazoe, H.; Yasukawa, M.; Yanagi, H.; Hosono, H., P-type electrical conduction in transparent thin films of CuAlO2, Nature, 389, 939-942 (1997).
2. Nomura, K.; Ohta, H.; Ueda, K.; Kamiya, T.; Hirano, M.; Hosono, H., Thin-film transistor fabricated in single-crystalline transparent oxide semiconductor, Science 300, 1269-1272 (2003).
3. Hayashi, K.; Matsuishi, S.; Kamiya, T.; Hirano, M.; Hosono, H., Light-induced conversion of an insulating refractory oxide into a persistent electronic conductor, Nature 419, 462-465 (2002).
4. Matsuishi, S.; Toda, Y.; Miyakawa, M.; Hayashi, K.; Kamiya, K.; Hirano, M.; Tanaka, I.; Hosono, H., High-density electron anions in a nano-porous single crystal: [Ca24Al28O64]4+(4e-), Science 301, 626-629 (2003).
5. Nomura, K.; Ohta, H.; Takagi, A.; Kamiya, T.; Hirano, M.; Hosono, H., Room-Temperature Fabrication of Transparent Flexible Thin Film Transistors Using Amorphous Oxide Semiconductors, Nature 432, 488 (2004).
6. Yoichi Kamihara, Takumi Watanabe, Masahiro Hirano, and Hideo Hosono: Iron-Based Layered Superconductor La[O1-xFx]FeAs (x = 0.05-0.12) with Tc ~ 26 K; J. Am. Chem. Soc., 130, 3296 (2008).
7. Hiroki Takahashi, Kazumi Igawa, Kazunobu Arii, Yoichi Kamihara, Masahiro Hirano, Hideo Hosono: Superconductivity at 43 K in an iron-based layered compound LaO1-xFxFeAs; Nature, 453, 376, (2008).

Hideo Hosono
Tokyo Institute of Technology
Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering
4259 Nagatsuta-cho, Midori-ku, Yokohama, 226-8502, JAPAN

연구실 홈페이지
http://www.khlab.msl.titech.ac.jp/TopPage-e.html

현재 연구 분야
Oxide semiconductor, Nanostructured oxide crystal, Catalysis, Structure analysis by pulsed EPR, Thin film transistor, Light-emitting diode, Electron emitter

<캡션>
히데오 호소노 교수가 지난달 18일 제주컨벤션센터에 열린 한국세라믹학회 추계연구발표회에서 기조강연을 하고 있다.