무엇인가를 도전할 때 그들만의 노하우가 빛을 발할 때가 있다. 이러한 노하우는 한순간에 만들어지는 것이 아니다. 도전과 실패를 거듭하며 오랜 시간 쌓아 올린 이들의 노력이 더해져 있다. 여기 현실에 안주하지 않고, 또 다른 혁신을 위해 위대한 도전을 이어 나가는 이들이 있다. ‘2024년도 우수 숙련기술자’로 선정된 마영태 PL과 ‘젊은 물리화학자상’을 수상하게 된 김인구 님이다. 두 수상자가 전하고 싶은 이야기를 함께 들어보자.

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2024년도 우수 숙련기술자, 마영태 PL이 배움을 멈추지 않는 이유

‘2024년도 우수 숙련기술자’로 선정된 마영태 PL은 21년 차 엔지니어다. 정부는 매년 최고의 숙련 기술을 보유하고, 기술 발전과 전수에 기여한 자를 우수 숙련기술자로 선정하고 있다. 매일 밤늦게 퇴근하며, 부족한 부분을 보완하려 노력했던 신입사원 시절을 지나 조금씩 성장을 거듭하던 그는 현재 삼성전자 반도체 내에서도 인정받는 우수 기술자로 알려져 있다. 파운드리 Metal기술팀에서 금속 배선 공정의 생산, 품질, 수율 등을 담당하는 마영태 PL에게 끊임없는 도전은 또 다른 성장의 발판이다. 올해보다 성장할 내년의 모습을 기대하고 있는 마영태 PL을 만나보았다.

Q. 오랜 기간 쌓아온 공적을 인정받아 2024년도 우수 숙련기술자로 선정되셨는데요. 소감 한 말씀 부탁드립니다

‘배움을 멈추지 않는 사람의 삶은 계속 오르막이다.’라는 말이 있습니다. ‘공부하는 엔지니어’라는 초심을 유지한 채 20년간 꾸준히 회사 생활을 하며 쌓아온 공적을 인정받아 뿌듯합니다. 각자의 분야에서 최선을 다하고 있는 엔지니어분들의 공적이 알려질 수 있도록 새로운 길을 개척하게 되어 보람찹니다.

Q. 21년 차 금속 배선 공정 엔지니어로 재직하면서, 우수 숙련기술자로 선정되기까지 수많은 노력을 하셨을 텐데요. 현재 많은 자격증을 보유하고 계신데, 취득 과정을 말씀해 주실 수 있을까요?

입사하자마자 열심히 배워 인정받는 사람이 되고 싶었으나 현실은 드라마 같지 않았습니다. 한 사람 몫을 해내기에도 수개월이 필요했고, 멋진 선배들처럼 되기에는 부족함이 많았습니다.

이에 단단한 업무 기초와 작은 성공을 만드는 방법이 ‘자격증 취득’이라고 생각했습니다. 기초가 생기니 현상에 대한 이해가 깊어지고, 개선 아이디어가 채택되는 확률도 높아지게 되었습니다. 그러면서 자연스럽게 자신감도 생겼습니다. 이후 삼성전자 반도체 설비 최고 전문가 과정, 프로젝트 매니지먼트 국제 자격증을 이수/취득하고, Visiting Researcher(GAA & ALD(원자 단위 증착)) 등으로 활동할 수 있었습니다.

Q. 표면처리 기술사 자격증도 취득한 것으로 알고 있습니다. 표면처리 기술사는 무엇인가요?

표면처리 기술사는 화학적인 방법이나 기계적인 방법을 사용해 다양한 재료와 제품의 표면을 보호하고, 꾸미는 작업을 수행하는 전문가입니다. 최근에는 기계나 금속뿐만 아니라 전기, 전자, 반도체에서의 기능성 금속 막질 증착 방법을 수행합니다. 표면 처리는 부품의 표면을 청소하고, 부식이나 오염을 제거하며, 필요한 특성을 부여하는 등 다양한 목적으로 사용됩니다. 이를 통해 부품의 수명을 연장시키고, 성능을 향상시킬 수 있습니다.

Q. 표면처리 기술 외 현재 보유하고 있는 숙련 기술은 어떤 것이 있나요?

저를 요리사로 비유해 크게 3가지 기술로 소개해 보겠습니다. 우선 ‘금속 기사’, ‘금속재료 산업기사’ 자격증이 있습니다. 요리사라면 음식 재료를 먼저 알아야 합니다. 반도체 금속 공정을 담당하고 있는 저에게는 그 재료가 구리, 알루미늄, 코발트, 텅스텐, 타이타늄, 탄탈륨 등이 되는 것이죠.

재료를 파악하고 나면, 요리법을 알아야 합니다. 고기를 구울 것인지, 삶을 것인지, 튀길 것인지 등을 선택하는 것이지요. 이와 관련된 자격증이 ‘표면처리 산업기사/기술사’입니다. 반도체 금속 막질을 어떻게 증착해야 하는지와 관련 있죠.

세 번째로는 요리사 경력이 오래되면, 요리가 완성되기까지 다른 전문가와의 협업도 필요합니다. 예를 들면 음식 보관, 조리 기구/시설, 상하수, 위생 등의 전문가와 논의하게 됩니다. 이들과 효율적으로 프로젝트를 하기 위한 방법이 필요했고, ‘프로젝트 매니지먼트(PMP) 국제 자격증’을 취득했습니다. 이를 통해 제조, 영업, 소재, 시설 담당 엔지니어와 효과적으로 소통하면서 과제를 이끌어 나갈 수 있는 역량을 향상했죠.

Q. 자격증 취득 과정에서 어려움에 부딪혔던 순간이 있는지, 있다면 그 문제를 어떻게 해결하였는지 궁금합니다

가장 큰 어려움은 수개월 이상 준비한 노력이 물거품으로 바뀔까 하는 허탈감이 무서워 도전을 망설이게 될 때였습니다. 하지만 이제는 알고 있습니다. 아무것도 하지 않으면, 아무것도 일어나지 않는다는 사실을요. 성공의 반대말은 실패가 아니라, 도전하지 않는 것이라고 합니다. 이제는 그냥 도전합니다. 대신 하루에 반드시 할 수 있는 양으로 소분합니다. 이번 우수 숙련기술자도 ‘될 때까지 도전하자’라는 마음으로 도전하였고, 아쉬움이 없어졌습니다.

Q. 이번 우수 숙련기술자 선정을 발판으로 앞으로 나아가야 할 개인적인 목표가 있나요?

대한민국 명장에 도전하고 싶습니다. 이를 위해서는 특허도 더 많이 쓰고, 회사에 기여하는 성과도 내야 하고, 후배 양성 등도 해야 합니다. 비록 제가 대한민국 명장이 되지 못할 수도 있지만, 올해의 저보다 내년의 저는 더 성장해 있을 것 같습니다.

Q. 후배 엔지니어를 위해 해주고 싶은 조언이 있다면요?

큰 성공은 작은 성공이 모여 이루어진다는 말이 있습니다. 저는 ‘지도 선배님으로부터 칭찬을 받고 싶다는 작은 성공’을 위한 도전부터 시작했습니다. 이후 파트, 팀, 우리나라에서 최고 엔지니어로 성장하고자 하는 꿈이 점점 커졌습니다. 제 삶 자체는 더딜진 몰라도 단계를 밟고 있고, 만들어 가고 있습니다. 지금도 현장에서 자신의 직무에 최선을 다하고 있는 동료 여러분께 응원의 말씀을 전합니다. 우리는 가장 정밀한 공정과 설비를 다루는 업을 하고 있습니다. 당신이 하는 일은 세계 최고입니다. 그래서 당신이 일하면서 성장할 수 있는 곳에 계시다는 것을 말씀드리고 싶습니다.

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젊은 물리화학자상 수상자, 김인구 님의 끊임없는 연구 원동력

대한화학회 주관 ‘젊은 물리화학자상’은 물리화학 분야에서 탁월한 연구 업적을 낸 만 45세 미만의 젊은 연구자에게 수여하는 상이다. 올해의 주인공은 현재 공정Simulation그룹에서 반도체 소재의 제일-원리 시뮬레이션을 담당하는 혁신센터 CSE팀의 김인구 님이다. 시뮬레이션(전산모사)을 통해 새로운 현상이나 원리를 발견하고, 이를 통해 소재와 공정 난제를 해결해 나가는 과정에서 인구 님이 얻는 성취감은 매우 크다. 그가 하는 연구가 궁극적으로는 산업계에 실질적으로 반영될 수 있다는 점은 연구를 오랜 기간 진행할 수 있는 큰 동기 부여가 된다.

Q. 젊은 물리화학자상은 생애 단 한 번 받을 수 있는 상으로 그 의미가 남다를 것 같습니다. 수상 소감 한 말씀 부탁드립니다

그동안 저와 함께 연구를 진행한 동료들과 제 연구를 지원해 주신 리더들께 영광을 돌리고 싶습니다. 이번 수상을 통해 제 연구가 그 가치를 인정받은 것 같아 매우 기쁘고, 앞으로도 차세대 소재의 작동 원리와 현상을 원자 수준에서 탐구하여, 기초 이론 개발과 양자 화학의 산업계 적용에 기여할 수 있도록 최선을 다하겠습니다.

Q. 연구원으로 계시면서 산업계가 당면한 문제 해결을 위한 다양한 방법론을 개발하였다고 들었습니다. 몇 가지를 소개해 주실 수 있을까요?

먼저 ‘차세대 Blue OLED 발광 소재 개발’에 참여하여 자체 개발한 방법론을 통해 고효율 MR-TADF(다중 공명 기반 열 활성화 지연 형광체) 물질의 발광 원리를 최초로 정량적으로 설명하였습니다. MR-TADF 소재는 색 순도가 굉장히 높고, 소재의 발광 효율이 높은데, 이 발광 메커니즘이 여러 가설은 있었지만, 정확히 알려진 게 없었습니다.

비발광(T1)-발광(S1) 상태 간 에너지 차이가 커 높은 발광 특성을 보이는 점은 기존 이론으로 설명할 수 없었죠. 수년간의 연구 끝에 상대론적 스핀 궤도(Spin-orbit) 상호작용 효과와 진동-전자 상호작용을 결합한 Spin-Vibronic 모델을 개발해 MR-TADF 소재의 발광 과정을 근원적 수준에서 해석할 수 있었습니다.

또한, 대규모 GPU 기반 고성능 컴퓨팅 환경에서 동작 가능한 ‘양자화학 전자 구조 계산 DFT(밀도 범함수론) 알고리즘’을 개발해 자체 코드로 구현했습니다. 이 코드는 반도체 제조 시 화학 반응에 대해 미리 시뮬레이션하여 최적의 공정 레시피를 찾을 수도 있고, 불량이 났을 때 해석에도 활용할 수 있어 다방면으로 쓰일 수 있는 툴(tool)입니다.

이에 따라 기존의 수백 원자 수준의 기술적 한계를 극복하고, 삼성전자의 GPU 슈퍼컴퓨터를 사용하여 최초로 수천 원자 수준의 거대 DFT 계산을 수행하였습니다. 반도체 공정에서 DFT를 통해 시뮬레이션을 하게 되면, 어떤 소재가 어떤 공정에 더 맞을지 예측해낼 수 있죠.

Q. 특정 연구를 진행하며 어려움에 부딪혔던 순간이 있는지, 있다면 그 문제를 어떻게 해결하였는지 궁금합니다

기존 이론의 한계 극복을 위해 신규 이론의 유도와 이를 효율적으로 계산하기 위한 고성능 병렬 코드 작성은 언제나 복합적인 난관에 직면하는 경우가 많았습니다. 관련 분야 국내외 석학들과의 산학 교류와 사내 소프트웨어 전문가들과의 협업을 통해 문제를 단계적으로 해결해 나가며, 연구를 성공적으로 마칠 수 있었습니다.

Q. 이러한 연구를 통해 관련 업계에 어떤 새로운 가능성을 열었다고 생각하시나요?

대규모 GPU 컴퓨팅 자원을 활용한 거대 계산을 통해 새로운 시뮬레이션 솔루션을 제시함으로써, 좀 더 현실적인 반도체 공정 해석에 다가갈 수 있는 길을 마련했다고 생각합니다. 이러한 연구들이 삼성전자 반도체 제품의 혁신과 경쟁력 강화에 근본적으로 도움이 되기를 기대합니다.

Q. 이번 물리화학자상 수상을 발판으로 앞으로 도전하고 싶은 연구 분야나 연구 계획이 있으신지요?

반도체 공정의 표면 반응 시뮬레이션을 위한 대규모 GPU용 양자 화학 및 동역학 계산 툴(tool) 개발에 집중하고자 합니다.

Q. 마지막으로 삼성전자 반도체 뉴스룸 독자들에게 전하고 싶은 메시지가 있다면 자유롭게 말씀해 주셔도 좋습니다

저의 연구에 대한 이야기를 나눌 수 있는 기회를 주셔서 감사합니다. 기본 물리법칙에 기반한 제일-원리 시뮬레이션은 원자 수준으로 미세화 되어가는 반도체 개발을 이끌어갈 중요한 분야라고 생각합니다. 지속적인 연구를 통해 더 나은 시뮬레이션 기술과 혁신적인 솔루션을 찾기 위해 노력하겠습니다.

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분야는 다르지만, 이들이 가진 공통점은 실패를 두려워하지 않고, 과정에서 얻는 성취감으로 성장해 나간다는 것이다. 오늘보다 더 나은 내일을 위해 현재를 살아가는 두 사람의 앞으로를 응원한다.

대외수상자인터뷰 대외 수상자 인터뷰

The post 또 다른 혁신을 위한 위대한 도전! 대외 수상자가 전하고 싶은 특별한 이야기 first appeared on 삼성전자 반도체 뉴스룸.

디지털카메라, 스마트폰, 태블릿 등 삶의 질을 높여 주는 대부분의 전자기기는 전원이 끊겨도 데이터를 보존하는 플래시 메모리가 있기에 사용이 가능하다. 우리의 일상과 밀접한 기술인데도 불구하고, 그간 원자 수준에서 플래시 메모리의 근본적인 저장 원리에 대해 명확하게 밝혀내는 것이 어려웠다. 원자 배열이 규칙성을 띠고 있어 특징을 밝혀내는 것이 쉬운 결정과는 달리, 플래시 메모리가 활용하는 물질은 원자들이 무질서하게 배열된 비정질이라는 특성을 가지고 있기 때문이다.

이에 삼성전자 혁신센터 CSE(Computational Science and Engineering)팀은 기존과 차별화된 접근방식을 통해 플래시 메모리 정보 저장의 핵심 역할을 하는 비정질 실리콘 질화물에서 전자가 안정되게 저장되는 근본 원리를 밝혀내는 데 성공했다.

이들이 집필한 ‘Switchable Chemical-Bond Reorganization for the Stable Charge Trapping in Amorphous Silicon Nitride’ 논문은 그 우수성을 인정받아 세계적인 학술지인 Advanced Materials에 게재됐다.

이번 논문에는 삼성전자 혁신센터 CSE팀 최운이 님이 제 1저자 및 교신저자로 참여했으며, CSE팀 김대신 상무, 권의희 DE, 손원준 파트장 그리고 SAIT 양승열 Master와 오영택 님이 공동저자로 참여했다. 독일 아헨공대의 석좌 교수인 R. Dronskowski 교수도 공동 교신저자로 이름을 올렸다. 이번 연구가 재료공학 분야의 세계 정상급 학술지에 게재된 배경과 구체적인 내용은 무엇일까? 삼성전자 반도체 뉴스룸이 그 비하인드 스토리를 담아 보았다.

Q. 처음 이 연구를 시작하게 된 계기는 무엇인가?

플래시 메모리 종류 중에서도 삼성전자 반도체가 최초 개발한 V-NAND(Vertical NAND)라는 기술이 있다. 평면상에 셀을 두고 개수를 늘리는 기존 구조와는 달리 셀을 수직으로 쌓아 올려 저장용량을 극대화시키고, 성능과 신뢰성을 향상시켰다. 이러한 기술 덕분에 우리는 매일 수많은 미디어와 문서들을 빠르고 안전하게 저장할 수 있는 것이다. 그러나, 요즘의 V-NAND가 세대를 거듭할수록 그 크기가 점차 작아지게 되면서 원자 수준에서 발생하는 현상에 대한 근본적인 이해 없이는 혁신을 이뤄 내기 힘든 단계에 직면하고 있다. 이런 맥락에서 굉장히 중요한 연구라고 생각해 시작하게 되었다.

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Q. 기존과는 다른 접근 방식을 통해 이전까지의 선행 연구에서 밝혀내기 어려웠던 저장 메커니즘을 알아내는 데 성공하였다. 연구의 핵심이 된 저장 메커니즘에 대해 설명해 달라

쉬운 설명을 위해 실리콘 질화물을 이루는 원자들인 실리콘 원자(Si)와 질소 원자(N)가 몇 개의 결합팔을 가져야 안정한 분자가 되는지부터 말해보겠다. 실리콘 원자(Si)는 주변에 4개의 원자와 결합하고 있을 때가 가장 안정된 상태이고, 질소 원자(N)는 3개의 원자와 결합하고 있을 때가 가장 안정된 상태다. 일반적으로 물질 내부에서 원자들은 주변의 원자들과의 화학결합을 통해 단단하게 묶인 상태다. 그런데, 특이하게도 이 원자들에게 하나의 결합이 추가되었을 때(Si: 5개, N: 4개)도 안정한 상태를 이루는 것으로 알려져 있다. 이때 실리콘 원자(Si)와 질소 원자(N)는 각각 –와 +전하를 가지게 된다.

원자의 결합팔에 수소 원자(H)를 붙인 경우를 예로 들겠다. SiH₄와 NH₃는 전기적으로 중성을 띄며 안정한 상태다. 더불어, (SiH₅)^–와 (NH₄)⁺ 역시 각각 –와 +전하를 띄면서 안정한 상태다. 그래서 위와 같이 SiH₄와 (NH₄)⁺가 인접한 상황에서 –를 띄는 두 개의 전자가 공급된다면, (SiH₅)^–와 NH₃로 구조를 바꾸면서 안정화된다. 이러한 구조적인 변화를 위해서는 위에 초록색으로 표시한 수소 원자(H) 하나가 질소 원자(N)와의 결합을 끊고, 다시 실리콘 원자(Si)와의 결합을 생성하는 과정이 있어야 한다.

이 현상은 비정질 실리콘 질화물에서도 그대로 나타난다.수소 원자(H) 대신에 실리콘 원자(Si)가 질소 원자(N)와의 결합을 깨고, 또 다른 실리콘 원자(Si)와 결합을 이룬다. 결국 새로 전자가 공급되어서 생긴 새로운 전하 상태가 이러한 구조적인 변화를 통해 안정화되는 것이다.

Q. 연구 과정 중 기억에 남는 에피소드가 있다면?

처음으로 비정질 실리콘 질화물 구조에서 전자를 안정적으로 가두면서 화학 결합이 변화하는 것을 눈으로 직접 관찰했던 날이 떠오른다. 바로 자리에서 일어나 사무실 복도를 거닐면서 혼자만의 기쁨을 만끽했다. 슈퍼컴퓨터와 같은 고성능 컴퓨터를 활용한 시뮬레이션 분석을 거듭하면서 전자를 안정되게 가두는 방식이 보다 명확해졌지만, 세계적인 영향력을 가진 Advanced Materials이라는 저널에 도전하기 위해서는 컴퓨터 모델링 결과 외에 우리의 주장을 뒷받침할 실험적인 증거가 필요했다. 그러다 문득, 질소 원자가 4개의 결합팔을 가진다면, 외곽에 존재하는 전자들의 분포가 원자핵 가까이 존재하는 전자의 에너지 레벨에 영향을 줘서 더 깊은 곳으로 이동할 거라는 생각이 들었다. 결과는 예상대로였고, 모델링으로 알아낸 메커니즘이 실제로 존재할 수 있다는 실험적인 증거를 제시하게 됨으로써, 논문에 설득력을 더할 수 있었다.

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Q. 이번 연구에서 밝혀낸 근본 원리가 앞으로의 메모리 산업과 일상에 어떠한 영향을 미치게 될지 궁금하다

그동안 간과해 왔던 원자수준에서의 작동 원리를 밝혀냈다는 의미가 있다. 이에 근거해 시뮬레이션을 업데이트하고 개발과 양산을 담당하는 엔지니어들이 기존의 데이터를 새로운 시각으로 바라보면서 다양한 경험을 쌓아 간다면, 플래시 메모리 미세화의 한계를 극복할 수 있는 좋은 결과가 있을 것이라 기대한다. 더군다나 플래시 메모리는 IT 문명에서 일종의 종이와 같은 역할을 하고 있다. 그렇기 때문에, V-NAND의 혁신은 더 저렴한 가격에 데이터를 저장할 수 있다는 걸 의미하고, 풍부한 디지털 데이터는 인공지능이 학습할 수 있는 데이터가 많아진다는 것을 뜻한다. 결국 다른 주변 기술들과 점진적인 시너지 효과를 일으켜 인공지능과 같은 핵심기술의 진보를 앞당길 수 있으리라 생각한다.

갈수록 미세화 되어 가는 반도체 공정에 없어서는 안 될 ‘컴퓨터 시뮬레이션’이라는 공통분모를 가지고, 다양한 전문성과 경험을 가진 사람들이 힘을 합쳐 일하고 있는 곳. 삼성전자 혁신센터 CSE팀이 지향하는 궁극적인 목표는 시뮬레이션만으로 반도체 제품 생산에 필요한 예측이나 개선 방향을 제공하는 것에 있다.

다양한 문제들을 시뮬레이션 관점에서 풀어내고, 지속적인 업데이트로 반도체 모델링의 범위를 넓혀 나가며, 반도체 개발자들을 위해 IT 시스템을 구축하는 역할까지. 다방면으로 활약하며, 컴퓨터 모델링을 통해 반도체 산업의 미래를 앞당길 CSE팀의 내일을 기대해 본다.

*논문 링크: Switchable Chemical-Bond Reorganization for the Stable Charge Trapping in Amorphous Silicon Nitride

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