강대원 박사, 그는 누구인가?

(故) 강대원 (姜大元, Dawon David Kahng)

출생-사망 │ 1931년 5월 4일-1992년 5월 13일
수상 내역 │ 1997년 프랭클린 연구소 스튜어트 밸런타인 메달
주요 경력 │ 2009년 미국 발명가 명예의 전당 헌액
1988년 미국 NEC연구소 사장
국제전기전자기술자협회(IEEE) 펠로우
Bell Telephone Laboratories 펠로우



한국이 낳은 세계적인 반도체 물리학자인 강대원 박사는 1931년 5월
4일 서울에서 태어났습니다. 그는 1955년에 서울대학교 물리학과를
졸업하고, 미국 오하이오 주립대학교 전자공학과에서 1956년에 석사
및 1959년에 박사학위를 취득하였습니다.

그 후, 강대원 박사는 당시 세계 최고 연구소인 Bell Telephone
Laboratories(현재, AT&T Bell Laboratories)에 입사하여 1960년에
트랜지스터 모스펫(MOS-FET)을 개발하였습니다. 모스펫은 세계
최초의 반도체인 BJT(Bipolar Junction Transistor)와는 달리 반도체를 고집적 및 양산이 가능한 구조로 오늘날 인텔의 CPU나 SK하이닉스,
삼성전자의 D램 등의 기초 소자로 활용 되고 있습니다.

또한 모스펫은 과거 진공관과 트랜지스터로 대표되는 초기 전자회로 시대를 뛰어넘어 IC시대(집적회로)로 발전하는데 가장 기초적이고 획기적인 발명품으로 인정을 받고 있으며, 현재 상용화 되고 있는 모든 디지털 전자회로의 토대가 되고 있습니다. 2009년, 그 공로를 인정받은 강대원 박사는 토마스 에디슨을 비롯해 라이트 형제, 노벨 등이 이름을 올린 미국 상무부 산하 특허청의 '발명가 명예의 전당(National Inventors Hall of Fame)'에 나란히 이름을 올리게 되었습니다.

또한 강대원 박사는 상대성 이론의 알버트 아인슈타인, 양자 우주론의 스티븐 호킹 등이 수상했던 프랭클린 연구소에서 물리분야에 수여하는 '스튜어트 밸런타인 메달'을 1975년 수상하였고, 1986년에는 오하이오 주립대학교 공과대학 '자랑스런 졸업생상(Distinguishe Alumni Awards)'을 수상하는 등의 미국 과학계의 주목을 한 몸에 받았습니다. 180여 년 동안 프랭클린 메달의 수상자 2000여명 중 105명이 107개의 노벨상을 받았다는 점만을 보더라도 프랭클린 연구소의 상은 강대원 박사의 연구 성과가 얼마나 의미 있는 것인지 가늠할 수 있을 것입니다.

한국인으로는 최초로 국제전기전자기술자협회(IEEE)와 Bell Telephone Laboratories의 Fellow였던 강대원 박사는 낸드플래시의 플로팅 게이트(Floating Gate) 메모리 셀, EL(전계발광) 분야에서 중요한 기여를 하였으며, 35개 이상의 논문, 책의 저자 혹은 공동저자로 활동했을 뿐만 아니라 22개의 미국 특허를 가지고 있습니다.

1988년 Bell Telephone Laboratories에서 은퇴한 후, 강대원 박사는 컴퓨터와 커뮤니케이션 기술에 대해 장기적인 기초연구를 수행하기 위해 설립된 미국 NEC 연구소의 창립 사장으로 취임하였습니다. 그러나 1992년 5월, 학술대회를 마치고 뉴저지로 돌아가던 길에 대동맥류 파열로 공항에서 쓰러져 수술하던 중 후유증으로 향년 61세를 일기로 타계하였습니다. 유족으로는 부인 강영희씨와 다섯 명의 자녀가 있었습니다.

#01: 모스펫 / MOS-FET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)
미국 특허 번호: 3102230

1960년 강박사가 발명한 것으로 p-type 또는 n-type Si 기판 표면에 drain과 source 역할을 하는 2개의 well을 형성한다. 그 뒤 반도체 상부에 유전체 (SiO2)를 형성하고, 그 상부와 p-well 사이에 metal gate를 형성하는 특허로서 현재 거의 대부분의 IC에 사용되는 MOSFET의 형태과 구성 성분, 그리고 동작 원리를 발명하였다.

1947년 Bell lab의 John Bardeen, William Shockley, 그리고 Walter Brattain 등 3인이 공동 개발한 세계 최초의 반도체 트랜지스터 소자인 BJT (Bipolar Junction Transistor)는 특성상 고집적화나 대량 양산에 한계가 있었다. 또한, 전력소비가 크고 제조가 까다로워 제품화가 곤란한 반도체 소자였다.

이러한 바이폴라 기반의 기존 germanium 반도체로는 생산성이 떨어지는 문제 및 전력 소비 문제를 해결하고자 1960년 강대원 박사와 M.M Atalla가 현재의 MOSFET을 개발함으로써 대량 생산이 가능한 반도체 산업의 기초를 닦은 것이다. 현재 CPU, D램, 낸드플래시 등 거의 모든 반도체가 이 MOSFET을 기반으로 만들어진다.

1959년 최초의 집적회로 (IC)를 만든 Jack Kilby는 2000년
노벨상 수상 공적서에서 강 박사의 모스펫 기술이 오늘날 반도체 산업의 발전에 크게 기여했다고 언급할 정도로 파급효과가
큰 발명이었으며, 이에 대한 공로로 2009년 미국 발명가 명예의
전당에 헌액되었다.

#02: 비휘발성 반도체 기억장치 (Non-Volatile Floating-gate Memory)
미국 특허 번호: 3500142

MOSFET을 발명한 7년 뒤인 1967년 강대원 박사는 S.M.Sze와 함께 또 다른 발명을 발표하였다.

이 발명을 간단히 소개하면, 기존 MOSFET의 metal gate 상부에 전기적으로 절연된 floating gate를 추가하여 절연체-금속-절연체의 샌드위치 구조를 형성한다. Terminal gate (오늘날의 control gate)에 외부 전계를 인가하면 전하가 tunneling에 의해 floating gate 층에 주입된다. 이후 외부 전계를 제거해도 metal 층의 전하에 의해 전계가 유지되고, 이로 인해 기판에 channel이 지속된다. Floating gate 내의 전하를 제거하기 전까지는 source와 drain 사이에 전류가 흐를 수 있는 channel이 계속 존재하는 memory 기능을 갖는 현재의 floating-gate MOSFET 발명이다.

Energy Band Diagram을 통해 전하 주입의 과정 및 이로 인한 메모리 효과를 정확히 표현하고 있어 현재 사용중인 EPROM, EEPROM, Flash Memory 개발의 기반을 제공하였다.