이번 연구실 탐방은 CMP/세정, 에어로졸, 그리고 플라즈마 공정과 같은 미세입자에 관한 연구를 진행하는 김태성 교수님의 나노입자 공학연구실(NPTL)을 취재했다.

Q. NPTL 간단한 소개 부탁드립니다.

나노입자 공학연구실 (Nano particle technology laboratory)은 유체상 미세입자의 거동에 대한 연구 및 플라즈마 활용 연구를 진행 중입니다. 특히, 반도체 공정 중 오염입자 제어와 입자와 관련된 공정인 chemical mechanical polishing (CMP) 공정 및 세정 공정 관련하여 많은 산업체와 공동연구를 진행하고 있습니다.

대기 중 미세 입자와 관련된 연구 분야로는 바이오에어로졸 또는 미세먼지 포집 및 측정 장치 개발을 바탕으로 한 공기질 관련 연구가 진행 중입니다. 싸이클론 분리기를 활용하여 대기 중의 바이오에어로졸 또는 미세먼지를 포집하고, 측정하는 기술을 개발하며 환경 이슈를 해결하기 위한 국가 연구과제를 수행 중입니다.

마지막으로, 플라즈마 공정을 활용한 이차원 물질 합성 및 계면 처리 연구를 진행하고 있습니다. 차세대 반도체 소재로 응용되고 있는 이차원 물질 및 이종 구조 합성 공정 개발과 플라즈마 표면 처리를 통한 특성 평가 및 전기화학적 응용 연구를 진행하고 있습니다.

Q. 대표적인 연구 활동이 있으신가요?

크게 반도체 공정인 CMP/세정, 에어로졸, 그리고 플라즈마 공정에 대해 연구를 하고 있습니다. 현재 관련된 국가 또는 산학과제 16건을 수행 중이며International Conference on Planarization/CMP Technology (ICPT), Electrochemical Society (ECS), Material Research Society (MRS), Ultra Clean Processing of Semiconductor Surfaces (UCPSS) 등 다양한 국제학회와 한국반도체디스플레이 기술학회, 한국입자에어로졸학회, 대한기계학회, 한국진공학회 등 다양한 국내 학회에 매년 참석하며 구두/포스터 발표를 하며 다양한 연구실과 교류를 하고 있습니다.

1) Chemical mechanical planarization (CMP)는 반도체의 제조 공정에 적용되고 있으며 더 많은 막을 쌓고, 더 정밀한 마이크로/나노구조의 제조 수요에 따라 지속적인 관련 연구가 요구되고 있습니다. 우리 연구실에서는 CMP 공정에 사용하는 소모품인 Pad, Conditioner, Slurry에 대한 연구뿐만 아니라 공정 최적화 및 모니터링, 연마 메커니즘 규명, CMP 후 세정 공정 등 다양한 관련 연구를 진행하고 있습니다. 대표적인 칩 메이커 삼성전자, 하이닉스와 관련 협력업체들과 함께 10건의 산학 및 국가연구과제를 수행하고 있습니다. 또한 매년 International Conference on Planarization/CMP Technology (ICPT)와 KOREA Chemical Mechanical Planarization Users Group Meeting (KOREA CMPUGM) 등의 학술 및 연구 교류를 통해 글로벌한 연구 논의 및 네트워크 형성에 참여하고 있습니다. 지난 2005년부터 70여 명의 석/박사 졸업생이 배출되었는데, 그중에 절반 이상이 삼성/SK 하이닉스에서 일하고 있습니다.

2) 에어로졸이란, 공기 중에 부유하고 있는 고체 또는 액체상의 작은 미립자라는 뜻으로, 연구실에서는 반도체 공정에서 발생되는 입자 또는 대기 공기질 분야에 대해 연구를 진행하고 있습니다. 반도체 공정에서 발생되는 입자는 수율에 직결되는 문제점으로 원인 규명이 필수적인데, 이러한 미세 입자 측정 기기를 활용한 입자 측정으로 반도체 공정 진단을 통한 수율 향상이 가능합니다. 관련하여 삼성전자 등 여러 산업체들과 산학과제를 진행 중입니다. 최근 코로나19로 인해 대기 공기질에 대한 사람들의 관심도가 높아진 만큼, 공기 중에 부유하는 에어로졸을 측정 또는 저감하는 연구를 수행하고 있습니다. 그중, 싸이클론이라는 구조를 활용하여 곰팡이와 같은 바이오에어로졸이나 미세먼지를 포집/제거하는 연구를 수행하며, 수학적 모델을 활용한 최적화 연구를 진행하고 있습니다.

3)플라즈마 공정을 활용하여 이차원 소재와 이종 구조 대면적 합성 및 플라즈마 처리를 통한 표면 개질에 대한 연구를 하고 있습니다. 플라즈마 공정을 활용하여 웨이퍼 스케일의 대면적 이차원 소재 및 이종 구조에 대해 연구하고 있고, 상용화를 위한 대면적 공정에 집중하여 연구하고 있습니다. 최근 대면적 이차원 소재 및 이종 구조에 대해 세계 최초 합성에 성공하였고, 연구 결과는 세계 권위지에 다수 출판되었습니다.

Q. 하나의 연구를 진행하는 과정은 어떻게 되나요?

저희 연구실에서는 앞서 설명드린 바와 같이 CMP/세정, 에어로졸, 그리고 플라즈마 공정에 대한 연구를 하고 있습니다. 이러한 분야들은 대체로 산업체와 긴밀히 연결되어 있어 현재 기업에서 해결하고자 하는 문제점 제시를 통해 연구가 시작됩니다. 예를 들면 CMP 분야에서 평탄화 과정 후 웨이퍼 위에 남게 되는 눈에 보이지 않는 작은 입자가 있습니다. 이것들을 제거하기 위해 클리닝 공정을 더욱 효과적으로 개선하고자 관련 연구가 활발히 진행 중입니다.

이렇게 직면하고 있는 문제점을 정확하게 알고 알맞은 해결책을 제시함에 따라 각 학생들의 문제 해결 능력을 증진할 수 있는 계기가 됩니다. 대학원에서 무조건 공부하는 것보다는 저희 연구실에서는 기업이 문제 해결을 위해 근본적으로 나아가야 할 점들에 대해 정확히 파악하고 하나의 연구를 시작합니다.

Q. NPTL 자랑 부탁드립니다.

현재 풀타임 27명, 파트타임 27명 총 54명의 학생이 등록 및 연구를 하고 있습니다. 그만큼 양질의 연구과제들을 수행하며 다양한 연구 경험 및 관련 업계의 네트워크를 형성할 수 있음은 어떤 연구실과 비교해도 월등한 장점일 것으로 생각합니다.  매주 진행하는 랩미팅에서 지도 교수뿐만 아니라 많은 연구실 구성원과 함께 연구결과를 논의하며 연구의 방향을 고민해 볼 수 있는 기회는 연구자로 성장하는데 큰 도움이 되는 시간일 것으로 생각합니다.

Q. NPTL에 들어가려면 어떻게 해야 하나요? 어떤 자격이 필요한가요?

NPTL에서 기계공학 및 성균나노과학기술원 석/박사 학위과정과 연구과제 수행을 도전하려는 학부생들은 우선 우리 연구실의 대표적인 연구분야 파악 및 계획을 정리한 후 지도 교수님과 면담 해보는 것을 추천합니다. 현장실습, 연구 학점제 등 현재 재학 중인 풀타임 대학원생들과 함께 미리 연구 활동을 해볼 기회도 충분히 있으니 이를 적극적으로 활용하는 방법도 있습니다.

Q. 연구원들에게 해주고 싶은 말.

학부생 때 진로에 대한 고민을 많이 합니다. 특히 성대 학생들은 대기업에 취업하기 위한 노력에 대부분의 시간을 투자합니다. 그런데, 만약 회사, 연구소, 학교에서 연구/개발에 관련된 일을 하고 싶은 학생이 있다면 대학원에서 석사/박사학위를 취득하면서 연구/개발 경험을 쌓는 것을 권하고 싶습니다. 우리 대학의 학부 취업률이 높은데, 대학원, 특히 이공계 대학원 취업률은 100%에 가깝습니다. 연구/개발 분야 일을 하게 되면 일할 수 있는 기간도 많이 늘어나고, 일하는 동안 많은 만족과 보람을 느낄 기회가 있을 겁니다.  원한다면 창업 등의 기회도 쉽게 가질 수 있습니다. 따라서 대학원 진로도 생각해 보는 기회를 갖기 바랍니다.

대학원 생활은 개인적인 학업뿐만 아니라 연구실 구성원들과 함께 생활 및 연구를 수행하며 연구자로 성장하는 단계입니다. 학위 과정 동안 겪게 되는 수많은 실패와 불확실한 미래에 대한 고민 등이 때로는 매우 힘든 성장통으로 다가올 수 있습니다. 하지만 연구실 동기, 선후배, 지도 교수에게 고민을 나누며 문제를 해결해 나간다면 충분히 이를 극복하고 경쟁력 있는 인재로 성장할 수 있다고 확신합니다.

*연구실 홈페이지: http://nptl.skku.edu/