남성우: 나노소재

남성우교수는 미국 일리노이대학교 어배너-섐페인(UIUC) 기계공학과 및 전기·컴퓨터공학과 교수로, 나노소재와 반도체 공정을 융합해 새로운 전자소자 구조를 제시한 세계적 연구자다. 그는 전자소자의 한계를 극복하기 위해 2차원 소재, 나노기계, 유연전자 등 다양한 분야를 통합적으로 연구하며, 미래 반도체의 설계 방향을 제시하고 있다. 특히 기계적 구조 제어를 통해 전자적 특성을 조정하는 ‘기계-전자 결합’ 연구로 주목받고 있다.

학문적 배경과 연구 여정

남성우 교수는 서울대학교 기계항공공학부를 졸업하고, 스탠퍼드대학교에서 기계공학 박사학위를 취득했다. 박사과정 동안 나노소재의 기계적 특성과 전기적 특성의 상관관계를 연구했으며, 이후 하버드대학교 박사후 연구원으로 있으면서 그래핀과 나노구조체의 변형 제어 기술을 발전시켰다. 2011년 일리노이대학교(UIUC)에 부임한 이후, 그는 반도체와 MEMS, 나노소재 연구를 융합해 차세대 소자 구조를 탐구하는 독자적 연구실을 이끌고 있다.

주요 연구 성과 1: 나노구조 기반 전자소자의 기계적 제어

남 교수의 대표적인 업적 중 하나는 나노구조 기반 전자소자에서 기계적 변형을 이용해 전기적 특성을 제어하는 기술이다. 그는 그래핀, 이황화몰리브덴(MoS₂), 흑린(black phosphorus) 등 2차원 소재를 이용해 소자의 변형에 따른 전자 이동도 변화와 전계 효과를 실험적으로 입증했다. 이를 통해 물리적 압력이나 변형으로 전류 흐름을 조절할 수 있는 ‘기계 반도체’ 개념을 제시했다. 이 기술은 웨어러블 전자기기, 센서, 로봇 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 가능성을 열었다.

주요 연구 성과 2: 2차원 소재의 변형 공학(Strain Engineering)

그는 2차원 소재의 전자밴드 구조가 기계적 변형에 따라 어떻게 바뀌는지를 정밀하게 제어하는 ‘변형 공학’ 연구로 잘 알려져 있다. 예를 들어 그래핀에 미세한 구부림이나 주름을 인위적으로 형성하면, 전자 밴드 구조가 조정되어 전도성과 광학 특성이 변한다. 남 교수는 이러한 원리를 이용해 초고감도 압력 센서, 광검출기, 신축성 반도체 소자를 개발했다. 이 연구는 반도체 재료의 물성을 전기적 도핑 없이 제어할 수 있는 새로운 방법으로 평가받는다.

주요 연구 성과 3: MEMS와 반도체의 융합 구조 개발

남 교수는 미세전자기계시스템(MEMS) 기술과 반도체 소자 설계를 결합한 새로운 구조를 제안했다. 그는 미세한 기계 구조를 반도체 소자 위에 통합해, 물리적 힘이나 진동이 전자 흐름에 직접 영향을 주는 소자를 개발했다. 이러한 ‘기계-전자 하이브리드’ 소자는 기존 반도체보다 훨씬 높은 민감도와 반응 속도를 갖는다. 이 기술은 의료용 바이오센서, 환경 모니터링 시스템, 정밀 진동 센서 등에 적용되고 있으며, 반도체의 응용 범위를 물리적 세계로 확장시켰다.

주요 연구 성과 4: 유연전자(Flexible Electronics)와 나노제조

남 교수 연구실은 반도체를 종이처럼 휘거나 늘릴 수 있는 유연전자 기술에도 선구적인 기여를 하고 있다. 그는 나노소재를 이용해 고성능을 유지하면서도 신축성이 있는 회로 구조를 제작하는 방법을 제시했다. 또한 기존의 실리콘 기반 공정과 호환 가능한 ‘전사공정(transfer printing)’ 기술을 개발하여, 유연한 기판 위에 정밀한 반도체 소자를 대량으로 배치하는 방법을 구현했다. 이 기술은 차세대 스마트의류, 헬스케어 기기, 휴대용 센서의 핵심 기반이 되고 있다.

주요 연구 성과 5: 나노포토닉스 및 에너지 소자 연구

남 교수는 나노구조를 이용해 빛과 전자를 동시에 제어하는 연구도 활발히 진행 중이다. 그는 나노패턴을 적용한 그래핀 및 2차원 소재 광검출기를 개발하여, 기존보다 10배 이상 빠른 응답 속도를 실현했다. 또한 광-기계적 결합 현상을 이용한 에너지 변환 소자, 예를 들어 압전 나노발전기와 열전 소자를 설계해, 반도체가 스스로 에너지를 생산하는 ‘자가발전형 소자’의 가능성을 제시했다. 이러한 연구는 친환경·저전력 반도체 기술의 새로운 방향으로 평가받는다.

산업적 영향과 사회적 가치

남성우 교수의 연구는 나노소재, 반도체, 기계공학을 융합해 완전히 새로운 전자시스템 설계 방식을 제시했다는 점에서 중요하다. 그의 기술은 반도체가 단순히 전류를 흘리는 회로를 넘어, 물리적 세계의 신호를 감지하고 반응하는 ‘지능형 반도체’로 발전하는 길을 열었다. 또한 그의 연구는 차세대 센서, 로봇, 의료기기, 스마트웨어 등 인간 생활과 밀접한 영역에서 혁신적인 응용 가능성을 보여준다.

대표 연구 주제와 기술 키워드

• 2차원 소재 및 나노소재 반도체
• 기계-전자 결합형 소자
• MEMS 및 유연전자 시스템
• 변형 공학(Strain Engineering) 기술
• 광·열·기계 결합형 에너지 소자

최근 연구와 향후 방향

최근 남 교수는 2차원 소재와 신축성 전자소자를 결합한 ‘인체 친화형 반도체’ 연구에 주력하고 있다. 그는 피부에 부착할 수 있는 초박형 센서, 신체 움직임을 실시간 감지하는 스트레인 측정기 등을 개발하며, 의료 및 헬스케어 분야로 응용 범위를 넓히고 있다. 또한 인공지능과 나노소재를 결합해 스스로 환경 변화를 인식하고 적응하는 ‘자율형 스마트소자’ 개념도 제시하고 있다. 그는 “기계와 반도체의 경계를 허무는 것이 미래 전자의 본질”이라고 강조하며, 새로운 세대의 반도체 혁신을 이끌고 있다.

정리

남성우 교수는 반도체 연구를 재료와 구조의 관점에서 다시 해석한 혁신가다. 그는 나노소재의 물성을 활용해 반도체가 물리적 자극에 반응하고 스스로 환경에 적응하는 새로운 전자 시스템을 만들었다. 그의 연구는 ‘단순한 소자’에서 ‘지능적 반응체’로 반도체의 개념을 확장시키며, 차세대 유연전자와 스마트센서 산업의 미래를 설계하고 있다. 기술과 물리, 그리고 인간 중심 공학의 경계를 허문 그의 연구는 반도체의 또 다른 진화를 보여준다.