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특집

결점 없는 세상을 꿈꾸다

한국물리학회지로 본 한국의 단결정 성장

작성자 : 진형진 ㅣ 등록일 : 2022-04-21 ㅣ 조회수 : 365 ㅣ DOI : 10.3938/PhiT.31.016

저자약력

진형진 교수는 미국 플로리다대 물리학 이학박사(2011)로 미국 Oak Ridge National Laboratory(2011-2014)에서 박사후 연구원을 지낸 뒤 2014년부터 부산대학교 물리학과에서 부교수로 재직하고 있다. 2021년에는 동대학 유전체물성연구소 소장을 역임했으며, 현재 극한물리연구소 소장과 물리학과 학과장직을 수행하고 있다. (hjeen@pusan.ac.kr)

History of Single-crystal Growth in Korea

Hyoungjeen JEEN

Single crystal growth is an indispensible step for condensed matter physics research and modern industry. In this article, I reviewed the history of single-crystal growth in Korea from the publications from the Korean Physical Society. We focused on the early stage of the history to understand how the researchers settled down, overcome their hurdles, and enhanced the quality of their single crystals.

들어가는 글

단결정 성장은 응집물질물리연구의 축이자 현대 산업 발전의 밑거름이 되어온 물리학의 핵심이다. 본고에서는 우리나라 단결정 연구의 성장과 성과를 한국물리학회지(새물리, Journal of the Korean Physical Society)를 통해 시대별로 소고해보고자 한다. 특히, 단결정의 종류 및 성장법을 중심으로 국내 연구자의 연구 성과를 살펴보고자, 국외 데이터베이스(e.g. Web of Science)뿐만 아니라 국내 데이터베이스(한국교육학술정보원, 학술연구정보서비스, RISS) 검색을 통한 단결정 성장 연구의 과거를 재조명하고자 하였다. 본 글에서는 선도연구센터 등 집단 연구체계의 시작, 고가 기자재의 도입이 이루어지기 시작한 1990년 이후의 내용을 다루기보다 한국 물리학 연구 중 초창기라고 할 수 있는 1961년~1990년까지 개인 단위의 연구 결과를 돌아보는 내용으로 작성하였다. 더 많은 내용을 확인하기 원하는 독자께서는 한국물리학회에서 발간한 한국물리학회 50년사(한국물리학회), 한국광학회에서 발간한 한국광학회 30년사, 대한민국학술원에서 발간한 한국의 학술연구-물리학의 내용을 참고하기 바란다.

한국의 단결정 성장은 어떻게 시작되었을까?

이 질문에 대한 답을 정확히 얻을 수는 없었지만, 이번 기사를 준비하면서 연락된 그 시대의 연구자들로부터 어렴풋이 답을 얻을 수 있었다. 먼저, 산화물 단결정 제작에 한평생을 바친 김정남 교수(부산대)와의 인터뷰에서 “우리는 맨손으로 어떤 연구를 할 수 있을까에 대하여 고민하였다.”와 “다행히 옆 학과에서 현미경을 빌릴 수 있었고, 일본물리학회가 발행하는 Butsuri 해설서를 볼 수 있어서 단결정 성장을 한 명이 아닌 집단 연구 과제로 학과에서 진행하였다.”는 말씀을 전해 듣고, 당시의 상황을 가늠할 수 있었고, 반도체 단결정 성장 전문가이자 1981년 국내 최초로 초크랄스키 방법으로 직경 4인치 무결함 실리콘 단결정을 성장시켜 우리나라 실리콘 웨이퍼 제조기술 발전에 공헌한 민석기 교수(고려대, 당시 한국과학기술원 반도체 재료연구실 실장)의 인터뷰에서 “국가적 사명감을 가지고 실행하였으며, 그 시대의 모든 연구자들은 한마음이였을 것...” 내용으로 국가적 난제의 돌파구로 생각하고 초창기 결정성장 연구자들이 길을 가지 않았나 생각된다.

한국물리학회지의 통계로 바라본 단결정 성장

한국의 고체물리학 분야에서 결정성장의 역사를 확인하기 위해 한국물리학회지인 새물리(1961년 창간), Journal of the Korean Physical Society(1968년 창간, 이하 JKPS)에 단결정 성장 및 단결정 성장을 포함하는 물성연구 관련 논문을 조사하였다. 분류는 결정성장법으로 하였으며, 가급적 저자가 쓴 성장법 명칭을 그대로 사용하였다. 또한, 해당 결정성장법으로 어떤 단결정이 성장되었는지를 확인할 수 있게도 분류하였다. 마지막으로 Web of Science를 이용하여 1970~1990년까지 국내에서 투고된 SCI급 논문을 검색하여 통계에 포함시켰다[표 1 참고]. 총 논문수는 163편이며, 비율로는 브릿지만법 (28.8%), 초크랄스키법(25.8%), 화학증기수송법(8.6%), 용액성장법(6.1%)으로 조사되었다. 표 1 이후부터는 단결정 성장법 내용을 기술하겠으며, 각 성장법별 단결정 종류의 확인은 표 2를 참고하기 바란다.

[Table 1] The number of publications in Sae Mulli, JKPS, and other SCI journals from 1961 to 1990. The following words: single crystal and Korea were used for the other SCI journals.

결정 성장법논문수 (JKPS)논문수 (새물리)논문수 (국외논문)합계
브릿지만법434947
베르누이법21-3
용액성장법27110
초크랄스키법433542
용융법63-9
Traveling heater method2215
용질확산법-3-3
승화법11-2
Kyropoulos법-1-1
융제법-2-2
수열합성법-1-1
대역용융법-2-2
Temperature gradient solution법-1-1
Directional freezing-1-1
화학증기수송법25714
Heat exchanger method--22
합금 및 재결정화-18-18
합계2311525163

1. 브릿지만법(Bridgman method)

브릿지만법은 조사기간(1961~1990) 동안 총 47편이 출판되었다. 문헌상에서 이 방법을 활용하여 단결정을 성장 발표한 예는 원자력 연구원에서 Anthracence 단결정을 이용한 방사선 계측 논문1)과 연세대의 Zn 및 Bi 단결정 성장 연구2)3)를 들 수 있다.

브릿지만법을 이용해서 주로 연구된 단결정은 Cd, Zn, Bi, Te 등의 금속 단결정, ZnTe, GaAs, CdTe, CuInSe2, In2Se3, GaSe, Ga2Se3, Hg1-xCdxTe, CdTeI, SbSeI, PbI2:Sb, ZnSe, SbSI, MgGa2Se4 등의 화합물 반도체 단결정이 주류를 이루었다[표 2 참고]. 또한, NaCl 및 KCl 등의 물질에도 적용된 예가 있다.

[Table 2] Classification of single crystals by growth methods. In parantheis, the following information is included: the year of publication and journal name.

결정 성장법단결정 종류
브릿지만법JKPSZnTe:Cu & ZnTe:Ag (1968); Cd:Zn (1971); GaAs (1985)
새물리Anthracence (1964); Zn (1964); Bi (1964); Te (1965); Bi:Ag (1967); CdTe (1967); CuInSe2 (1982); ZnTe (1983); GaAs (1984); Zn0.395Cd0.605Te (1985); In2S3:Co (1985); GaSe:Ni (1986); Ga2Se3:Fe (1987); Hg1-xCdxTe (1987); CdTe:I (1987); NaCl & KCl (1987); Ga2Se3:Co (1987); SbSeI (1999); Zn0.108Cd0.892Te (1988); ZnxCd1-xTe (1988); Ga2Se3:Co (1989); PbI2:Sb (1989); GaSe (1988); Zn0.4Cd0.6Te (1990); GaSe:Ni (1990); PbI2:Sb (1990); ZnSe1-xTex (1990); SbS1-xSexI & SbS1-xSexI:Co (1990)
국외논문GaSe, GaSe:Mn (1986, Solid State Commun.); In2Se3 (1987, Solid State Commun.); Ga2Se3:Co (1987, Solid State Commun.); SbSI, SbSI:Co, SbSeI, & SbSeI:Co (1988, Solid State Commun.); Pb1-xCdxI2 (1987, Solid State Commun.); MgGa2Se4, MgGa2Se4:Co (1988, PRB); Gs2Se3:Co (1989, Solid State Commun.); MgGa2Se4:Ni (1989, Solid State Commun.); SbSI:Ni (1989, Solid State Commun.)
베르누이법JKPSNaNO2 (1970); TiO2:Cr, TiO2:Fe (1988)
새물리NaNO2 (1972)
용액성장법JKPSKHC8H4O4 (1971); KDP (1987)
새물리N2H5H2PO4 (1963); KAg(NO3)2 (1969); KH2PO4 (1980); Li3(SeO3)2 (1984); NH4H2AsO4 (ADA) (1986); (NH4)1-xKxH2PO4 (1986); (KDP)1-x(NaDP)x (1987)
국외논문(NH4)2SO4 (1990, Ferroelectrics)
초크랄스키법JKPSLiNbO3 (1981); LiNbO3:Cr, LiNbO3:Ni (1982); LiNbO3:V (1985); Pd-D (1988)
새물리LiNbO3 (1980); LiNbO3:Fe, LiNbO3:Ti (1982); LiNbO3:Cr, LiNbO3:Fe, LiNbO3:Ni (1982); LiNbO3:Fe (1983); LiNbO3:Ni, Cr, Sm, Gd (1983); Bi2MoO5 (1985); BiVO4 (1985); Bi2(MoO4)3 (1985); Pb5Ge3O11 (1986); LiNbO3:Fe (1986); LiNbO3:Ta (1986); PbMoO4 (1988); Li1-xKxNbO3 (1988); LiNbO3:Mn (1990)
국외논문BiVO4 (1985, JJAP); Bi2(Mo4)3 (1985, JJAP); BiVO4 (1986, Journal of Physics C); Bi2(Mo4)3 (1988, Solid State Commun.); BiNbO4 (1990, Ferroelectrics)
용융법JKPSNaNO2 (1978); CuInSe2 (1989), Bi-Sr-Ca-Cu-O (1989)
새물리CuInSe2 (1985); BiSrCaCu2Oy (1989); CdS (1989)
Traveling heater methodJKPSHg1-xCdxTe (1988)
새물리Hg1-xCdxTe (1987)
국외논문Hg-Zn-Te (1990, SSR)
용질확산법새물리GaP (1977); InP (1987); GaP:Te (1988)
승화법JKPSC9H18NO (1983)
새물리CdS (1990)
Kyropoulos법새물리KCl (1965)
융제법새물리BaTiO3 (1966)
수열합성법새물리인공수정 (1971)
대역용융법새물리GaAs (1973); In2Se3 (1989)
Temperature gradient solution법새물리In1-xGaxP (1989)
Directional freezing새물리CuGaS2 (1990)
화학증기수송법JKPSRuO2 (1982); ZnGa2S4 (1984)
새물리CdS (1988); ZnGa2Se4 & ZnGa2Se4:Co (1988); CdGa2Se4:Cr (1990)
국외논문Co0.2Ga2S3.2 (1986, Solid State Commun.); CdGa2Se4, CdGa2Se4:Co (1987, Solid State Commun.); CdGa2Se4:Co (1988, JAP); In2S3:Co (1988, Solid State Commun.); CuAlSe2:Co (1989, Solid State Commun.); ZnGa2Se4:Cr (1990, Solid State Commun.); ZnGa2Se4:Ni (1990, Solid State Commun.)
Heat exchanger method국외논문GaAs (1989, J. of Cryst. Growth); Hg-Cd-Te (1987, J. Mater. Sci. Lett.)
합금 및 재결정화새물리FeNi (1972); Fe-Mn (1973); Fe (1973); Fe-Te (1973); CuRh2Se4 (1982); FeRh2Se4 (1982); FexCu1-xRh2Se4 (1982); FexCu1-xRh2Se4 (1983); (Fe1-xCox)80B20 (1985); (Fe1-xNix)80B20 (1987); Zr67Ni33 (1987); Fe0.25Cu0.25Co0.5Cr2S4 (1987); CuInSe2 (1987); Fe80SixB20-x (1987); (Fe80B20)100-xCux (1988); CuFe2-xGaxO4 (1989); FeCr2S4 (1990); MBa2Cu3O7-x (1990)

주요 연구자와 소속기관은 정중현 교수(연세대), 문동찬 교수(광운대), 맹선재 교수(한양대), 김창대 교수(목포대), 조동산 교수(전남대), 강현식 교수(전북대), 민석기 교수(고려대), 김화택 교수(전남대), 이형재 교수(전북대), 김형곤 교수(조선이공대학교), 윤상현 교수(전남대), 윤창선 교수(군산대), 최성휴 교수(조선대) 등을 들 수 있다. 그 중 연세대의 정중현 교수는 반도체라는 단어가 낯설던 1960년부터 반도체 연구를 시작하여 다양한 단결정 성장 방법을 이용하여 화합물 반도체를 성장한 연구자이다. 1969년에 소개된 정중현 교수의 구리와 은이 도핑된 ZnTe 단결정 연구에서는 Zn를 정제하기 위해 zone refining 방법을 통해 원재료의 순도를 높이는 작업을 한 것이 소개되었다. 요즘도 재료의 순도를 높이기 위해 사용하는 방법이지만, 당시의 상황을 잘 설명해주는 부분이라 할 수 있다.

2. 초크랄스키법(Czochralski method)

초크랄스키법은 조사기간 동안 총 42편이 출판되었다. 문헌상에서 이 방법을 활용하여 단결정을 성장시켜 발표한 첫 번째 예는 부산대학교의 LiNbO3 단결정을 들 수 있다.4) 초크랄스키법을 활용한 논문 중 41편이 부산대 물리학과와 연관된 논문이고, 특히 LiNbO3 단결정 연구가 활발히 진행된 배경을 소개하면 다음과 같다. 1979년 문교부는 기초과학 관계의 연구소를 설립하기 위하여 각 대학에 연구과제 제출을 요구하였고, 학과 교수회의에서 LiNbO3 단결정의 성장과 물성에 관한 연구를 과제로 선정하고 학과 내 전 교수가 연구원이 되어 연구계획서를 제출하였다. 이렇게 설립된 연구소가 물성연구소이며, 훗날 유전체 물성연구소로 발전하게 된다. 이와 관련된 내용은 부산대학교 물리학과 50년사에서 확인할 수 있다. 이 결정을 개발하는 과정에서 에피소드를 장민수 교수와의 인터뷰에서 확인할 수 있다. “인상장치부분은 LiNbO3 융액 속에 넣은 종자 봉의 표면 온도를 일정하게 유지시키기 위해 종자 봉을 회전시키는 부분과 천천히 종자 봉을 끌어올릴 수 있는 부분이 조합되어야 한다. 그 당시 국내에서는 서강대학교 물리학과에 외국산 Czochralski법 단결정 성장장치가 있었지만 사용자가 없어 자문을 받을 수 없었으며, 오직 KIST의 민석기 박사(고려대)님의 반도체 재료연구실에 반도체 단결정 성장장치가 있었다. 그 장치로부터 아이디어를 얻어 시계에 사용되는 톱니를 조합하고 부속품을 이수대 교수(경남대)가 직접 공작하여 국내 최초로 단결정 인상장치를 제작하였다. 이러한 노력으로 Czochralski법 단결정 성장장치가 국산화되었으며 LiNbO3 단결정을 국내 최초로 성장시키는데 성공하였다.”

초크랄스키법으로 만들어진 단결정은 LiNbO3, Bi2MoO5, BiVO4, Bi2(MoO4)3, Pb5Ge3O11; PbMoO4, BiNbO4 등 주로 산화물 단결정이 주류를 이루었다. LiNbO3의 경우, 다양한 도핑(Cr, Ni, V, Fe, Ti, Sm, Gd, Ta, Mn 등)이 이루어졌다. 성장법 관련 주요 연구자 및 소속기관으로는 이재현 교수(부산대), 장민수 교수(부산대), 이수대 교수(경남대), 노동택 교수(부산대), 박재호 교수(부산대), 김정남 교수(부산대), 이호섭 교수(창원대), 이형철 교수(부산교대), 김일원 교수(울산대), 최병춘 교수(부경대), 진병문 교수(동의대), 조영신 교수(강원대)를 들 수 있다. LiNbO3 단결정의 경우, 물성과 관련해서 활발한 공동연구가 진행되었고, 측정관련 공동연구자는 조성호 교수(고려대), 박홍이 교수(연세대), 노지현 교수(부산대), 윤수인 교수(부산대), 김형국 교수(부산대), 진광수 교수(부산대) 등을 들 수 있다.

3. 화학증기수송법(Chemical vapor transport)

화학증기수송법을 활용한 논문은 조사기간 동안 총 14편이 출판되었다. 문헌상에서 이 방법을 활용하여 단결정을 성장시킨 첫 번째 예는 JKPS에 발표된 박홍이 교수(연세대)의 Ru 과 RuO2를 원물질로 쓰고, 산소를 transport agent 로 사용하여 성장한 RuO2 단결정을 들 수 있다.5)

화학증기수송법을 이용하여 만들어진 단결정은 RuO2; ZnGa2S4, CdS, ZnGa2Se4, CdGa2Se4, Co0.2Ga2S3.2, In2S3, CuAlSe2 등을 들 수 있다. 많은 예에서 화학증기수송법을 이용할 때 자주 쓰이는 Iodine이 자주 등장하였다. 주요 연구자로는 박홍이 교수(연세대), 신영진 교수(전북대), 김화택 교수(전남대), 김형곤 교수(조선이공대학교), 김창대 교수(목포대), 박혁렬 교수(목포대) 등을 들 수 있다. 특히, 이 방법을 통해 다양한 칼코겐 화합물들이 합성되었고, 주요 연구자 중 한 명인 김화택 교수(전남대)는 열악한 환경 속에서도 “돈키호테의 촌놈정신으로 무모하리만큼 노력”하여 호남지역 연구자 약 20명 정도와 화학증기수송법, 대역용융법, 브릿지만법을 이용하여 약 150종의 단결정을 성장시켰다(김화택 교수 인터뷰 내용).

4. 용액성장법(Solution growth)

용액성장법을 활용한 논문은 총 10편이 출판되었다. 문헌상에서 이 방법을 활용하여 단결정을 성장시킨 첫 번째 예는 새물리에 발표된 김상돈 교수(고려대)의 N2H5H2PO4 성장 및 결정구조 분석을 들 수 있다.6)

용액법을 통해 만들어진 단결정과 연구자는 KHC8H4O4(노봉환 교수, 고려대), KDP(권숙일 교수, 서울대), KAg(NO3)2(양재춘 교수, 고려대), KH2PO4(권숙일 교수, 서울대), Li3(SeO3)2(이문남 교수, 단국대), NH4H2AsO4 (ADA)(이광세 교수, 인제대; 김종진 교수, KAIST), (NH4)1-xKxH2PO4(윤종걸 교수, 수원대; 권숙일 교수, 서울대), KDP1-xNaDPx(이문남 교수, 단국대; 김종진 교수, KAIST), (NH4)2SO4(김종진 교수, KAIST) 등을 들 수 있다. 대부분의 단결정 시료는 강유전성, 반강유전성을 가지는 물질이고, 상전이 및 유전율 연구를 위해 이용되었다.

5. 베르누이법(Verneuil method)

Verneuil method는 Flame fusion method라고 불리는 결정성장법이며, 작동원리는 장치의 상부에서 떨어지는 분말의 원재료가 수소 불꽃을 통과하여 용융되며, 이 용융된 물질이 아래쪽에 쌓이면서 결정성장이 일어나는 방법이다. 산화물 기판 소재로 자주 사용되는 SrTiO3도 이 방법으로 결정성장이 된다. 이런 방법으로 발표된 논문은 총 3편이 출판되었다. 문헌상에서 이 방법을 활용하여 단결정을 성장한 첫 번째 예는 JKPS에 발표된 권숙일 명예교수(서울대)의 NaNO2 성장 및 감마선 조사에 따른 적외선 흡수 연구를 들 수 있다.7)

이 베르누이법을 통해 만들어진 단결정은 NaNO2, TiO2:Cr, TiO2:Fe를 들 수 있다. 참고로 강유전체인 NaNO2는 후술할 용융법 등 다양한 방법으로 단결정 성장이 되었다. 학술연구정보서비스(RISS)의 검색 결과를 보면, 동일 방법으로 1972년~1975년 사이 김정남 교수(부산대)와 이재봉 교수(충남대, 당시 석사과정)는 순수한 TiO2 단결정 성장 및 유전율 연구를 진행하였다. 이 방법과 관련한 가슴 아픈 일화, 1967년에 이범삼 교수(부산대)가 Ruby 단결정, Star Ruby 단결정을 성장시켰고, 호남비료에 전수하여 양산체제를 갖추었으나 회사의 재정난과 인조 Ruby의 밀수 등으로 채산성이 악화되자 호남비료는 이 사업을 끝내 포기하고 말았다.

6. 용융법(Melt growth)

용융법을 활용한 논문은 총 9편이 출판되었다. 문헌상에서 이 방법을 활용하여 단결정을 성장시킨 첫 번째 예는 1978년 JKPS에 발표된 권숙일 교수(서울대)의 논문을 들 수 있다.8) 이 논문에서 저자는 열전도가 좋은 Copper container를 이용하고 높은 열용량을 가지는 Si oil을 이용하여 온도를 유지하며 단결정을 성장시켰다고 한다.

용융법을 통해 만들어진 단결정은 NaNO2, CuInSe2; BiSrCaCu2Oy, CdS 등을 들 수 있다. 장보현 교수, 최인환 교수(이상 중앙대)의 CuInSe2 단결정은 셀레늄 과다(rich)를 이용하여 원재료를 녹이고, directional freezing을 통해 단결정을 제작한 것이다.9) 그리고, 이 방법으로 80년대 후반 고온초전도체인 BiSrCaCu2Oy 물질을 장민수 교수(부산대), 이성익 교수(포항공대)가 제작하였고, 측정은 박영우 교수(서울대)가 진행을 하였다.10)11)12)

7. Kyropoulos법

Kyropoulos법은 조사기간 동안 총 1편이 출판되었다. 해당 논문은 1965년 새물리에 김정남 교수(부산대)가 발표한 “Kyropoulos법에 의한 KCl 단결정의 육성 및 그 Etch Pit의 관찰”이다.13) 당시 초임 교수였던 김정남 교수는 동료 교수와 함께 “옆 학과에서 현미경을 빌릴 수는 있으나, 맨손으로 무엇을 시작할 수 있을까?” 고민을 하였고, 일본물리학회에서 발행되는 Butsuri 해설서에 쓰인 결정성장을 바탕으로 이범삼 교수가 제자(교수)들인 김정남, 윤수인, 노지현 교수를 설득하여 시작하였다고 한다. 그 시작은 1964년 이범삼 교수가 주도한 NaCl이였으며, KCl까지 용융법 바탕의 Kyropoulos 방법을 통해 단결정을 얻어내었다고 한다. KCl 단결정 성장의 경우, 후드 시설이 전무하여 단결정 성장 중에는 1차대전의 독가스를 조금씩 맛보면서 실험을 하였다고 한다. 참고로 윤수인 교수는 국내 제작 단결정 시료를 가지고 논문을 일본물리학회지에 게재하는 성과도 얻었다.14)

8. 융제법(Flux method)

플럭스 방법은 융점이 높은 단결정 성장 시 적절한 용매를 사용하여 단결정의 융점을 낮춘 상태에서 단결정을 성장시키는 법을 말한다. 조사기간 동안 총 2편의 논문이 발표되었다.15)16) 장민수 교수는 BaTiO3 단결정 성장 기술을 석사 지도교수인 이재현 교수(부산대)에게 전수 받아 분극 반전과 구역에 관한 연구로 석사학위를 취득하였고, 불순물에 의한 상전이 연구로 발전시켰다.

9. 수열합성법(Hydrothermal synthesis)

수열합성법은 고압용기(Autoclave)를 이용하여 고온/고압하에서 결정을 성장시키는 방법이다. 조사기간 동안 총 1편이 출판되었다. 문헌상에서 이 방법에 대한 최초 언급은 새물리에 이범삼 교수(부산대)가 발표한 “해설: 인공수정의 산업화에 대한 고찰”이다.17) 부산대 물리학과 50년사에는 1968년 이범삼 교수가 중심이 되어 “인공수정의 양산화 연구”를 주제로 과학기술처 연구비 100만 원을 지원받아 6개월만에 연구를 완성해 냈다고 기록되어 있다. 여담으로 autoclave는 고사기관포의 밑부분을 잘라서 제작했다고 한다.

10. 대역용융법(Zone melting)

대역용융법은 zone refining과 단결정화를 동시에 완성하는 방법으로 전기로의 설계상 힘든 점이 있으나 시간과 재료를 절약할 수 있는 장점이 있으며, 당시에는 GaAs 경우에 초크랄스키법보다 그 질이 우수하다고 알려졌었다. GaAs 단결정 성장연구는 최병두 교수(서울대)와 김기수 박사(원자력연구원)가 진행하였다.18) 최병두 교수의 GaAs 단결정 성장에 대해 당시 실험에 참가하였던 김화택 교수(전남대)는 “일본에 교환교수로 다녀온 서울대 최병두 교수님이 1970년대 원자력연구소 김기수 연구원 실험실에서 GaAs 단결정 성장실험을 하시고 성공하셨습니다. 액체질소 트랩을 사용한 고진공 상태에서 성장하는 것을 저는 조수로 1~2개월 정도 보았습니다. ‘결정성장에는 왕도가 없다’는 말씀을 늘 하셨죠.”로 최병두 교수를 기억하고 있다. 최병두 교수는 이외에도 InP와 같은 III-V족 화합물반도체 연구에도 헌신하였다.

11. 그 외 결정 성장법

승화법(Sublimation method): 2편의 논문이 발표되었으며, 장민수 교수(부산대)는 강유전체이고, 강탄성체인 C9H18NO 단결정을 이 방법으로 성장시켰다. 신영진 교수(전북대)는 반도체인 CdS를 성장시켰다.

Traveling heater method: 이 방법으로는 다양한 연구자[정중현 교수, 박홍이 교수(이상 연세대), 박만장 교수(고려대)]가 1980년대에 적외선 검출기에 활용되는 Hg1-xCdxTe 단결정 성장에 매진하였다.

용질확산법(Solute diffusion synthesis): 이 방법으로는 GaP(최병두 교수, 서울대), InP(정중현 교수, 연세대), GaP:Te(정중현 교수, 연세대) 등의 반도체 단결정을 제작하였다. 그 외에도 Temperature gradient solution method, Directional freezing, Heat exchange method 등을 사용하여 반도체 단결정 연구가 진행되었다.

12. 합금 및 재결정화 연구

합금형성 및 재결정화 연구는 일반적인 단결정 범위에 넣기는 어렵지만, 석영관을 통한 진공 봉입, 고온 가열을 통한 용융 등 단결정 성장의 방법과 유사한 점이 많아 이번 조사에 포함시켰다. 금속의 재결정화는 “이미 결정화되어 있는 금속결정립의 경계를 확장시켜 단결정을 만드는 재결정화법”으로 단결정을 성장시키는 결정성장법이다(진광수 교수 인터뷰 내용).

Fe-Ni, Fe-Mn, Fe, Fe-Te, CuRh2Se4, FeRh2Se4, (Fe1-xCox)80B20, (Fe1-xNix)80B20, Zr67Ni33, Fe0.25Cu0.25Co0.5Cr2S4, CuInSe2, Fe80SixB20-x, CuFe2-xGaxO4, FeCr2S4 등을 들 수 있으며, 주된 연구자는 옥항남 교수(연세대), 명화남 교수(전남대), 김철성 교수(국민대), 노봉환 교수(고려대), 진광수 교수(부산대) 등을 들 수 있다. 옥항남 교수와 김철성 교수는 주로 뫼스바우어 분광법을 이용하여 자기적 특성에 대한 연구를 진행하였다.

나오는 글

본고에서는 고체물리학 분야 초창기의 결정 성장에 대한 결정성장 방법과 결정의 종류에 대하여 간략히 알아보았다. 1990년대 이후에는 이러한 개별 노력이 모여 하나의 결실을 맺었다. 그 결과 국가의 관심 속에서 기초과학분야의 부흥을 위해 선도연구센터와 같은 대형 집단 연구센터 사업이 생기고, 한국기초과학지원연구원과 같은 정출연의 지역센터 설립으로 균형발전이 이루어지게 되었다. 그리고, 인력의 다양화를 들 수도 있다.

1990년 출범한 선도연구센터 사업의 경우, 1990년에는 반도체 분야의 집단 연구 센터인 전북대 중심의 반도체물성연구센터(초대 소장: 이형재 교수)가 출범하였다. 이 센터는 전북대학교에서 주관하며, 반도체 기술의 특성을 고려하여 물리, 전기 및 전자, 재료, 화학 및 화공분야의 관련 18개 대학과 2개의 정부출연연구소에서 40여 명의 교수급 연구원으로 이루어진 대형 연구과제였으며, 기초과학 연구뿐 아니라 산업 인큐베이터 역할도 동시에 수행하였다(이형재 교수 인터뷰 내용). 그리고, 이듬해 유전체 분야의 집단 연구 센터인 부산대 중심의 유전체물성연구센터(초대 소장: 장민수 교수)가 출범하였다. 이 연구센터는 부산대학교를 주관기관으로 하고 서울대, 과학원, 고려대, 포항공대 등의 11개 대학에서 강유전체 및 유전체 분야의 22명의 교수로 연구 그룹을 결성하여 3차에 걸친 엄정하고 치열한 경쟁을 거쳐 1991년도 우수연구센터로 선정되었다(장민수 교수 인터뷰 내용). 이 센터를 통해 국내 연구진 교류의 활성화뿐 아니라 활발한 국제교류가 급진적으로 진행되었다. 이 센터에 뿌리를 두고 있는 교류행사가 현재까지 이어지고 있는 국내외 공학-물리학 분야의 심포지엄인 유전체연합심포지엄과 한국과 일본의 분야 연구 교류회인 한-일 강유전체 연구회를 들 수 있다.

또한, 정부출연연구소 지역센터를 통한 연구 수준 향상의 예는 한국기초과학지원연구원 광주센터의 지원으로 전남지역에 “반도체의 광학 특성 연구”를 위한 최신 측정 시스템을 구축하는 장비 지원은 광특성 관련 연구의 질을 높일 수 있는 계기가 되었다(김화택 교수 인터뷰 내용).

또한, 그간 선배 연구자들의 노력으로 만들어진 인력 인프라 및 다양한 연구배경을 가진 인적자원의 국내 유입을 들 수 있다. 이를 통해 기존의 물성연구에 깊이를 더할 수 있었으며, 기존 반도체, 자성체, 유전체로 분류되던 한국의 단결정 연구가 새로운 연구 배경을 가진 인력의 유입으로 인해 기존 분야는 심화 연구가 이루어졌고, 새로운 단결정 형태(예: 고온 초전도체, 2차원 단결정)로 다양화되었다.

마지막으로 갑작스런 연락에도 격려와 자료 제공에 도움을 주신 장민수 명예교수님(부산대), 이형재 명예교수님(전북대), 민석기 명예교수님(고려대), 김정남 명예교수님(부산대), 김화택 명예교수님(전남대), 최병두 명예교수님(서울대), 김일원 명예교수님(울산대), 진광수 명예교수님(부산대)께 감사인사를 올립니다. 또한, 자료 검색에 도움을 주신 부산대학교 도서관 관계자 분들께도 감사의 인사를 전합니다.

각주
1)M. K. Chung and Mann Cho, New Physics: Sae Mulli 4, 2 (1964).
2)Choong Hyun Chung and Pil Won Yu, New Physics: Sae Mulli 4, 30 (1964).
3)Choong Hyun Chung, Pil Won Yu and Kang Mook Lee, New Physics: Sae Mulli 4, 70 (1964).
4)Jae Hyeon Lee, Min Su Jang and Su Dae Lee, New Physics: Sae Mulli 20, 18 (1980).
5)Hong Lee Park, J. Korean Phys. Soc. 15, 51 (1982).
6)Sang D. Kim, New Physics: Sae Mulli 3, 41 (1963).
7)Sook-Il Kwun and Myung-Sung Kim, New Physics: Sae Mulli 12, 1 (1972).
8)Sook-Il Kwun and Young Kuk, J. Korean Phys. Soc. 11, 12 (1978).
9)B. H. Chang, J. G. Lee and I. H. Choi, New Physics: Sae Mulli 25, 14 (1985).
10)Hyeong Cheol Lee, Min Su Jang, Jung Nam Kim, Tae Young Huh and Yung Woo Park, New Physics: Sae Mulli 29, 340 (1989).
11)Soong Yoon, Sung-Ik Lee, Zhong Soo Lim, Ki Jeong Kwon and Hyun Jun Shin, J. Korean Phys. Soc. 22, 275 (1989).
12)Young Seok Song, Hyuk Park, Yoon Seok Choi, Yung Woo Park, Min Soo Jang, Hyung Chul Lee and Sung Ik Lee, J. Korean Phys. Soc. 23, 492 (1990).
13)Jung Nam Kim, New Physics: Sae Mulli 5, 9 (1965).
14)Soo In Yun, J. Phys. Soc. Japan 21, 819A (1966).
15)Choong Hyun Chung, Phil Won Yu and Dong Hi Lee, New Physics: Sae Mulli 6, 19 (1966).
16)Min Su Jang, S. I. Yun and Se Yeong Jung, New Physics: Sae Mulli 24, 100 (1984).
17)B. S. Rhee, New Physics: Sae Mulli 11, 25 (1971).
18)Byung Doo Choe, Key Soo Kim and Ki Seon Lee, New Physics: Sae Mulli 13, 19 (1973).
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