▲ 시계 방향으로 서울대학교 재료공학부 문동훈 연구원(단독 1저자), 이원식 연구원(참여저자), 장혜진 교수(참여저자), 이관형 교수(교신저자), 한정우 교수(참여저자)[출처=서울대학교 공과대학]서울대(총장 유홍림) 공과대(학장 김영오)에 따르면 재료공학부 이관형 교수 연구팀이 다양한 기판 위에서 웨이퍼 면적의 단결정(single-crystal) 2차원 반도체를 직접 성장시킬 수 있는 신기술 ‘하이포택시(Hypotaxy)’를 세계 최초로 개발했다.같은 학부의 장혜진, 한정우 교수 연구팀과 함께 연구했다. 이번 연구 결과는 2025년 2월20일 세계 최고 권위의 학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다.최근 인공지능(AI) 기술 발전에 따라 반도체 성능 향상의 필요성이 커졌고 소자의 전력 소모를 줄이려는 연구 또한 활발해졌다.따라서 기존의 실리콘을 대체할 새 반도체 소재가 주목받는 중인데 그중 얇은 두께와 뛰어난 전기적 특성을 지닌 2차원 물질 ‘전이금속칼코겐화물(Transition metal dichalcogenide, 이하 TMD)’이 차세대 반도체로 주목받고 있다. 그러나 이를 높은 품질로 합성해 산업적으로 활용할 수 있는 대량 생산 기술이 부족한 실정이다.현재 가장 유망한 합성 기술인 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)은 전기적 특성의 저하, 성장한 TMD의 전사(transfer, 다른 기판으로 옮기는 추가 공정) 등의 문제를 안고 있다.높은 결정성(crystallinity)을 갖는 기판 위에서 TMD를 성장시키는 ‘에피택시(epitaxy)’ 방식도 성장 후 전사 과정이 수반되고 특정 기판만 사용 가능하다는 한계가 있다.반도체 및 박막 소재 제작에 필수적인 기술로 여겨졌던 이 방식은 합성 시 TMD의 결정성, 표면, 층수가 불균일해 전기적 성능이 저하되는 약점도 존재한다.고품질 TMD에 기반한 고도의 3차원 집적화 기술 개발이 현대 반도체 산업의 필수 과제로 부각됨에 따라 새로운 TMD 합성 기술의 필요성이 절실한 상황이었다.이에 연구진은 기존에 보고된 적 없는 새로운 성장법을 개발해 이 문제를 해결했다. 그래핀과 같은 2차원 물질을 템플릿으로 활용해 TMD의 결정이 정렬된 형태로 성장하도록 유도하는 방식을 고안햤다.어떤 기판에서도 완벽한 단결정 TMD 박막을 합성할 수 있는 ‘하이포택시(Hypotaxy)’ 기술을 세계 최초로 구현한 것이다.박막이 하부 방향으로 성장한 특성을 반영해 이 합성법을 ‘아래 방향’을 의미하는 ‘하이포(hypo)’와 ‘정렬’이란 뜻의 ‘택시(taxy)’를 접목한 ‘하이포택시’로 명명했다.반도체 제조 공정과의 호환이 가능한 저온(400℃)에서도 단결정 TMD를 성장시킬 수 있는 이 기술은 산업적으로 큰 의미를 지닌다.후처리 없이 템플릿이 자연적으로 제거되며 금속 박막 두께를 조절해 TMD의 층수까지 정밀하게 제어할 수 있다는 점에서도 기존 방식과 크게 차별화된다.이번 기술을 이용해 합성한 TMD로 만든 반도체 소자가 높은 전하 이동도와 우수한 소자 균일성을 보임으로써, ‘하이포택시’가 반도체 소자의 고성능화·고집적화 및 차세대 2차원 반도체 상용화에 기여할 핵심 기술로 활용될 가능성이 커졌다.아울러 ‘하이포택시’는 단순히 2차원 반도체 성장 기술에 그치지 않고 모든 결정질 박막 물질의 성장에도 적용 가능한 혁신적 기술이라는 평가를 받고 있다.기존 반도체 제조 방식의 한계를 극복했을 뿐 아니라, 템플릿을 통해 결정 방향 및 구조를 원하는 대로 조절할 수 있는 완전히 새로운 방식을 세계 최초로 제안했기 때문이다.현재 서울대 재료공학부에서 박사과정을 밟고 있는 문동훈 연구원은 기존에는 합성이 불가능해 다양한 측정에 제약이 있었던 무아레 구조(Moiré structure)를 하이포택시 성장법으로 합성시키는 연구에 주력하고 있다.이전의 합성법으로는 대면적 고품질 성장이 어려웠던 다양한 신물질에 하이포택시 기술을 적용시키는 연구도 수행하고 있으며, 향후 박사후연구원으로서 연구를 이어 나갈 예정이다.연구를 지도한 이관형 교수는 “우리가 개발한 하이포택시(Hypotaxy) 기술은 1930년대에 최초로 그 개념이 제안돼 현대 전자소자 개발을 이끈 에피택시(Epitaxy) 기술의 한계를 돌파했다”고 이번 연구의 의미를 짚으며 “하이포택시는 차세대 AI 반도체의 기반이 되는 3차원 집적을 가능케 한 만큼 재료공학 분야에서 혁신적인 접근법으로 자리매김하리라 기대한다”고 밝혔다.논문의 단독 1저자인 문동훈 연구원은 “다양한 소재를 고품질로 합성하는 대표적 기술인 에피택시에 대한 관념과 틀을 깨는 것이 가장 큰 도전이었다”고 연구 과정을 돌아보며 “기판의 종류와 관계없이 단결정 성장이 가능한 하이포택시 기술이 바로 에피택시에 대한 역발상에서 나왔듯 이번 성과가 앞으로 신물질 개발과 새로운 격자 구조의 합성 등의 분야에서 기존 연구들을 뛰어넘는 혁신적인 연구를 촉진하는 마중물이 되길 바란다”고 말했다.

▲ 모그립 로봇팔. 사람이 손가락으로 집어 손바닥에 올리면서 잡는 원리를 처음으로 적용했다 [출처=서울대학교 공과대학]서울대학교(총장 유홍림) 공과대학(학장 김영오)에 따르면 2024년 11월29일 관악캠퍼스 공학관에서 제1회 ‘서울대 로보틱스 데이(SNU Robotics Day)’를 성황리에 개최했다.‘로보틱스 데이’는 로봇 분야의 융합연구 성과를 선보이는 자리로 주제별 융합 연구를 지원하는 서울대 공대의 공학 혁신 프로그램 ‘킵 워치(Keep Watch)’의 일환이다.1부 행사에서는 서울대에서 로봇을 제작·연구·활용하는 공학자들이 연구실을 소개하고 로보틱스(Robotics) 연구성과와 로봇 데모를 발표다. 2부 행사에서는 ‘창의공학설계’ 수업 수강생 60명이 직접 만든 로봇으로 ‘로보콘’ 결승전을 치뤘다.김영오 공과대학장은 축사에서 “연구자들은 로봇과 같은 미래 핵심기술을 연구할 때 먼저 우리 사회가 무엇을 필요로 하는지, 사회의 가장 큰 이슈는 무엇인지부터 파악하고 공유해야 한다”고 말했다.또한 “그에 대응하는 기술 혁신의 방향성을 함께 찾기 위해 로봇 공학자들이 한자리에 모이는 로보틱스 데이를 처음으로 개최했다”고 행사의 취지를 강조했다.이어진 장병탁 서울대 AI 연구원장, 박종우 전 로봇학회 회장의 축사로 시작한 1부에서는 서울대 내 25개 연구팀이 최근 논문으로 발표했거나 개발 중인 로봇들의 제작 원리를 설명했다.현장에서 시연이 어려워 영상으로 소개된 대형 로봇, 수영 로봇, 수술 로봇, 우주 로봇 등은 참석자들의 눈길을 끌었다.새로 개관한 인공지능(AI) 교육연구 공간인 해동첨단공학관의 AI 로봇 클러스터에서는 40여 명의 연구원들이 로봇을 시연했다.특히 입구에서 안내봇 역할을 맡아 사람이 손을 내밀면 센서로 인식해 잡아주는 ‘휴머노이드 로봇’과 처음 인사를 나눈 참석자들은 사람이 직접 입을 수 있는 ‘웨어러블 로봇’을 접하는 시간을 가졌다.특수천으로 제작돼 가벼우면서도 무릎의 부하를 줄이는 ‘엑소 언로더 로봇’, 무거운 물건을 들 때 허리를 보조하는 조끼 모양의 ‘스쿼트 로봇’, 중량물 작업 시 척추가 부담하는 하중을 줄이는 ‘허리 동작 보조 웨어러블 슈트’, 사람의 고관절을 움직여 걷고 뛰는 기능을 향상시킨 ‘고관절 보조로봇’ 등이 선보였다.데모를 보여준 한 연구원은 인체를 보호하고 신체 능력을 높인다는 점에서 웨어러블 로봇의 목적은 모두 동일하지만, 소재부터 프로그램에 이르기까지 그 접근 방식은 매우 다양하다고 설명했다.기존에는 인간의 손을 통해서만 수행할 수 있었던 기능을 정밀하게 모사한 로봇들도 참석자들의 많은 관심을 받았다.사람이 손가락으로 물건을 집어 넓은 손바닥에 옮겨 담는 이동 원리를 로봇 분야에서 처음으로 구현한 ‘모그립 로봇’, 좁은 공간에 차곡차곡 접시를 정리하는 ‘접시 수납 로봇팔’의 데모는 서울대 연구팀의 우수한 기술력을 입증했다.개발에 참여한 한 연구원은 인간에게는 단순해 보이는 노동을 로봇이 수행하려면 탁월한 시각 지능과 판단 능력을 갖춰야 하는 만큼 이 로봇들은 수많은 도전 끝에 얻어낸 성공적인 결과물이라고 전했다.그 밖에도 수술 중 환자 조직과의 촉감을 측정해 마치 직접 손으로 수술할 때처럼 의료진의 손에 촉각 정보를 전해주는 ‘햅틱 수술 로봇’을 비롯한 의료용 로봇, 보스턴 다이너믹스(Boston Dynamics)의 개발 모델에 연구팀이 자체 개발한 공간인식 AI 프로그램을 설치해 미리 학습되지 않은 새로운 공간에서도 자유자재로 이동하도록 구현한 로봇 개 등도 많은 관심을 받았다.로봇 수십 대의 데모를 지켜본 로봇 전문기업의 표윤석 공학박사는 “발표와 데모를 통해 젊은 연구자들의 열정을 고스란히 느낄 수 있어 즐거운 시간이었다”면서 “당장 상용화를 시도하고 싶은 로봇도 많아 서울대와 적극적으로 협업할 필요를 느낀다”고 소감을 전했다.이날 행사의 2부는 로봇공학 기초 과목인 ‘창의공학설계’를 수강하며 미래의 로봇 공학자를 꿈꾸는 60명의 1학년 학생들이 직접 만든 로봇으로 팀별 대항전을 치르는 ‘로보콘’을 관람하는 시간으로 진행됐다.2024년 새로 도입된 다자유도 로봇팔의 기능을 창의적으로 활용한 ‘조립왕’ 팀이 접전 끝에 우승해 국제 로보콘 참전권을 획득하고 축하를 받으며 로보틱스 데이가 마무리됐다.로봇 분야의 대표적 국제 학회인 IEEE RAS (미국 전기전자공학회 산하 로봇자동화학회)의 제24대 회장을 역임했던 서울대 기계공학과 박종우 교수는 행사를 마친 후 “로봇의 시대는 인간의 외형을 지닌 기계가 판매되는 시기가 아니라 우리가 풀어야 할 문제를 지능을 갖춘 기계를 만들어 해결할 수 있는 시기이고 바로 지금이 로봇의 시대다”고 강조했다.또한 박 교수는 “지금도 지구상에는 로봇화를 통해서만 해결이 가능한 수많은 문제들이 산적해 있다. 앞으로 매년 가을에 열릴 로보틱스 데이가 이 같은 시대적 과제에 맞설 공학자들에게 창의적인 도전 정신을 고취하는 계기가 되길 바란다”고 밝혔다.