이달의 과학기술자상 6월 수상자에 인하대학교 정보통신대학원 이일항 교수
현재의 전기적 인쇄회로기판(이하 PCB)은 데이터의 처리량이 증가함에 따라 점차 대역폭의 한계를 드러내고 있기 때문에 전 세계적으로 그 한계를 극복할 수 있는 차세대 PCB에 관심이 증대되고 있다. 이러한 수요에 따라 이 교수팀이 개발한 차세대 PCB가 바로 광인쇄회로기판(O-PCB)이다.
현재까지 개발한 O-PCB로 전달할 수 있는 정보량은 하나의 채널로 초당 10Gbit 이상이며(이론상으로는 테라 Gbit 이상까지도 가능), 이는 기존 전기연결선의 20배 이상에 해당하는 것이므로 기존 기술을 월등히 뛰어넘는 수치다. 이는 광배선 하나당 20개 이상의 전선을 대체할 수 있지만 크기는 10분의 1에 불과하기 때문에 PCB 기판에서 데이터라인이 차지하는 면적도 획기적으로 줄일 수 있다.
또한, 광인쇄회로기판(O-PCB)는 전자를 이용하는 대신 광자를 이용하는 것이기 때문에 개념적으로 혁명적일 뿐만 아니라, 그 위에 정보통신을 비롯하여 바이오-나노에 이르기까지 더욱 폭넓은 VLSI 포토닉스 집적 광자기술의 가능성을 열어 주는 것이다. 이것은 마치 전기인쇄회로기판(PCB)이 “20세기 전자시대”의 문을 열어준 것과 같이, 광인쇄회로기판(O-PCB)이 “21세기 광자시대”의 문을 열어 주었다는 데서도 역사적인 의미가 있다고 할 수 있다.
O-PCB의 개발을 위해 다양한 분야가 집중된 연구실이 구성되는데 이는 재료적 측면에서부터 이론, 설계, 제작, 평가에 이르기까지 O-PCB의 탄생에 많은 과정과 노력이 필요하기 때문이다. 우선 O-PCB의 구성 요소들은 광학적 전산모사 방법으로 설계하였고, 재료는 저렴하고 쉽게 얻을 수 있는 재료들로 유기-무기 고분자 합성 방식을 통해 만들었다. 또한, 저가의 양질O-PCB를 제작하는 것도 중요하다. 따라서 이 교수팀은 O-PCB의 주요소인 광소자를 저가 대량 생산을 실현하고자 엠보싱(embossing) 기술이라는 대량 복제 기술을 도입하였다.
고성능의 O-PCB가 구현됨에 따라, 단순한 데이터 전송에의 응용에서 벗어나 통신, 컴퓨터, 자동차, 선박, 항공, 우주, 의료, 환경, 국방 등 다양한 분야에 적용시키는 길이 열렸으며 이에 따른 새로운 부가 가치 신산업을 창출할 수 있을 것으로 전망된다.
O-PCB의 개발은 21세기 미래 멀티미디어 대용량 정보사회에 새로운 혁명을 가져올 수 있는 계기를 마련한 것으로 평가된다. 범용성 및 응용성 O-PCB의 개발과 그로 인하여 얻어지게 될 VLSI 광자 집적회로의 개발은 20세기에서 전기인쇄회로기판(E-PCB)의 개발과 VLSI 전자회로 칩의 개발이 산업 전반에 가져다준 혁명적인 변화 현상과 유사한 현상을 유발하게 될 것으로 기대하고 있다. 본 연구 성과의 의미는 바로 그 문을 열어주었다는 데 있다고 볼 수 있으며, 21세기 VLSI 반도체 집적기술에도 영향을 줄 수 있는 기틀을 제공하고 있다고도 평가된다.
현재 이 교수는 과학기술부와 한국과학재단이 지정한 우수연구센터(집적형 광자기술 연구센터) 사업을 수행하고 있으며 빛을 이용한 차세대 광인쇄회로기판과 실리콘 광자회로 개발 등 광자를 이용한 차세대 VLSI 마이크로/나노 광자공학 연구에 집중하고 있다.
□ 광인쇄회로기판 : 전기 인쇄회로기판(PCB)이 전기신호를 전달하는 방식과 달리 광인쇄회로기판 (O-PCB)는 광신호를 통해 정보를 주고 받는 신개념의 PCB이다. 광신호를 사용하므로 회선당 데이터 전달 속도와 회로 집적도가 기존 전기 PCB에 수십 배에 달하며 전자기파방해에 영향을 받지 않는다.
□ 광배선 또는 광도파로 : 광신호를 전달하기 위한 전송매체로써 유리나 플라스틱과 같은 투명한 재질을 사용하며 굴절률이 높은 중심(코어)과 낮은 바깥(클래딩)의 굴절률 차이를 이용하여 전반사의 원리로 빛을 진행하게 한다.
□ 엠보싱 기법 : 몰드라는 형틀을 사용하여 플라스틱과 같은 고분자 물질에 원하는 형상을 전사하는 방법 중 하나로 저가격 대량생산이 용이한 복제공정이다. 그 예로는 고분자를 자외선을 이용해 경화시키는 자외선 엠보싱 방식과 열가소성 고분자를 고온으로 가열하여 형상을 전사하는 열 엠보싱 방식이 있다.
□ 유기-무기 하이브리드 고분자 재료 : 안정성이 좋은 무기재료와 가공성이 좋은 유기재료가 같이 존재하는 고분자 물질이며 유기-무기 물질의 조합을 통해 다양한 성질과 기능의 발현이 용이한 고분자 재료이다.
□ 실리콘 포토닉스 (실리콘 광자기술) : 20세기 전자시대의 핵심인 실리콘 일렉트로닉스 (실리콘 전자기술) 못지않게, 21세기 광자시대의 핵심으로써 실리콘으로부터 광자기능을 가능하게 하려는 연구들이 세계적으로 새롭게 진행되고 있는데, 이 기술을 실리콘 포토닉스(실리콘 광자기술)라 부른다.
□ VLSI 포토닉스 (VLSI 광자기술) : 20세기 전자시대의 VLSI 일렉트로닉스 집적기술 못지않게, 21세기 광자시대를 대비하여 광자소자를 마이크로/나노 스케일로 고밀도 집적화하려는 기술을 VLSI 포토닉스라 부른다.
이일항 교수 이력사항
○ 인적사항
- 이름: 이일항 (李一恒, El-Hang Lee)
- 생년월일: 1947년 12월 19일 생
○ 학 력
1966-1970 한국, 서울대학교 공과대학 학사 (B.S.) (전기공학)
1972-1973 미국, YALE 대학교 과학석사 (M.S.) (응용물리학)
1973-1975 미국, YALE 대학교 철학석사 (M.Phil.) (응용물리학)
1975-1977 미국, YALE 대학교 철학박사 (Ph.D.) (응용물리학)
○ 경 력
1978-1980 미국, YALE/PRINCETON 대학교, Research Fellow (연구/강의)
1980-1984 미국, MEMC 사 반도체 중앙연구소, Research Scientist
1984-1990 미국, AT&T BELL 연구소 (ERC), 선임연구과학자/연구팀장
1990-1998 한국, 한국전자통신연구원 (ETRI), 연구팀장, 연구부장, 연구단장
1999-현재 한국, 인하대학교, 정보통신대학원 교수, 원장
2003-현재 한국, 과학재단/과기부 지원 "집적형 광자기술" 연구센터 소장
○ 수 상
1996 영국, 왕립 IEE 학회 FELLOW 석학 상 수훈
2000 미국, IEEE Third Millennium Medal 상
2000 한국, 대한전자공학회 학술상
2002 미국, IEEE 전기전자공학회 FELLOW 석학 상 수훈
2002 미국, OSA 광학회 FELLOW 석학 상 수훈
2002 한국, 세종문화상
2003 미국, SPIE 광자공학회 FELLOW 석학 상 수훈
2003 한국, 과학기술단체 총연합회 우수 논문상
2005 미국, APS 물리학회 FELLOW 석학 상 수훈
외 10여개의 국내외 우수 학술상 수상
□ 수상업적 : 광(光)인쇄회로기판 (Optical PCB) 개발
□ 업적요지
이일항 교수는 20세기 인터넷 혁명과 정보통신 발전의 기초가 되어온 광섬유/반도체 중심의 “정보통신 광자기술” 분야를 30여년간 세계정상에서 선도해 온 세계최고 수준의 한국대표 과학자이다. 특히, 지난 2003년에는 과기부/과학재단 지원의 “집적형 광자기술”우수연구센터(일명 OPERA)를 설립하고, 21세기 혁명적 개념의 차세대 “광(光)인쇄회로기판(O-PCB)”을 성공적으로 개발하여 세계를 선도하고 있다. 기존 전기인쇄회로기판(PCB)이 반도체와 함께 “20세기 전자혁명”을 열어준 핵심인 것처럼, 전자 대신 광자를 이용하는 본 광인쇄회로기판(O-PCB)도 통신, 컴퓨터, 반도체, 디스플레이, 자동차, 항공, 우주, 환경, 의료, 산업전반에 걸쳐 획기적인 “21세기 광자혁명” 폭넓게 열어 줄 핵심으로 기대되고 있다. 본 연구는 나아가 “실리콘 광자공학”, 광결정, 플라즈모닉스, 폴리머/유기분자 등 마이크로/나노 구조와 신물질 속에서 광자를 이용하는 “마이크로/나노 광자공학”과 신기능 및 집적 기술을 개발하여, 기존 “20세기 전자시대”의 “VLSI 반도체 전자기술”을 보완할 신개념 “VLSI 나노 광자기술”과 IT/BT/NT 퓨전 등을 통한 “21세기 광자시대”의 비전도 제시하면서, 세계 굴지의 반도체 전자/통신 기업, 대학들과 어깨를 겨루며 세계를 선도하고 있다.
□ 업적내용
집적형 광자기술 연구센터(소장 이일항 교수)는 일반적인 전자기기에 사용되고 있는 인쇄회로기판(PCB)의 구리 동선을 광배선으로 대체하는 새로운 개념의 차세대 고성능 광인쇄회로기판(O-PCB)을 개발하였다. 광인쇄회로기판의 설계는 광학적 전산모사 방법을 이용하였고, 제작에 있어서는 광인쇄회로기판용 광소자의 저가격 구현을 위한 대량 복제의 기술을 개발하였다. 광인쇄회로기판은 표면방출레이져(이하 VCSEL)과 광검출기(이하PD)의 4채널 또는 12채널 어레이로 구성되어 있으며 각각의 대역폭은 10Gbps 이상으로 측정 되었다. 각각의 광도파로 50X50 마이크론(마이크론=1백만분의 1미터) 크기의 정사각형 단면을 가지며, 소재는 유기-무기 하이브리드 폴리머이고, 각각의 광도파로 채널은 VCSEL과 PD 어레이와 수직 연결을 위해 45도 거울면을 특수 방식으로 제작하였다. 광도파로 어레이는 저가격 대량 복제를 위해 엠보싱(embossing) 방식을 이용하였는데, 실리콘 반도체로 몰드(mold)라는 틀을 제작하여 이 틀로 같은 형태의 복제물을 도장 찍듯이 반복하여 재생산할 수 있는 기법이다. 이러한 성과로 광도파로 제작 및 광인쇄회로기판 제작에 있어서 세계와 어깨를 겨룰 수 있는 기반 기술 및 과학기술 경쟁력을 확보하였으며, 대용량의 정보처리 기능을 가진 범용 광인쇄회로기판 개발을 통한 원천기술 확보로 국내 산업 및 경제 기반 확보에 기여하게 되었다.
□ 파급효과
○컴퓨터 산업: 광을 매개로 하는 O-PCB는 기본적으로 인덕턴스나 정전용량에 따른 전자소자의 속도의 한계를 극복하며 컴퓨터에 응용되는 E-PCB에 필수적인 다채널 버스 방식을 점대점 직렬방식으로 바꿈으로써 대역폭과 구조를 획기적으로 개선할 수 있다.
○통신 산업: 광통신에 있어서는 통신 용량을 증대시키기 위하여 광섬유를 가정에까지 인입시키는 Fiber-to-the-Home을 비롯하여 유비퀴터스 네트워크 기반에 이르기까지 새로운 활용을 가능하게 하며, 저가격 및 다양한 기능으로 새로운 수요를 만족 시켜 줄 수 있을 것으로 예상되고 있다.
○수송 산업: 자동차는 차츰 내부 동배선이 1km에 육박하고 있으며, 지능화에 따른 자동차 내부의 각종 정보통신 시스템 용량 증대와 멀티미디어 엔터테인먼트 등의 수요 증대에 따라, 구리 동선을 폴리머 광섬유를 사용하여 대치함으로써 용량 증대 요구에 응하고 있다. O-PCB 는 이에 발 맞추어 자동차 정보통신 산업에도 크게 공헌 할 것으로 기대되고 있다.
○항공/우주 산업: 항공, 우주 산업에서도 비행체 내의 각종 정보통신 시스템 용량 증대와 멀티미디어 엔터테인먼트 등의 수요 증대에 따라, 구리 동선을 폴리머 광섬유를 사용하여 대치하여 용량 증대 요구에 응하고 있다. O-PCB 는 이에 발맞추어 항공 및 우주 정보통신 산업에도 크게 공헌할 것으로 기대되고 있다.
○의료/보건 산업: 의료, 보건 산업에서도 신체에 대한 각종 의료, 보건 검사를 정밀하게 할 경우 막대한 용량의 저장 용량이 소요되며, 그 저장 정보를 즉시 활용하려 할 경우, 각종 정보통신 시스템 용량 증대와 멀티미디어 등의 수요 증대가 테라 급에 달하게 됨에 따라, 광섬유와 광학을 사용하여 용량 증대 요구에 응하게 된다. O-PCB 는 이에 발맞추어 막대한 용량의 의료/보건 정보통신 산업에도 크게 공헌 할 것으로 기대되고 있다.
○환경/국방 산업: 환경 및 국방 산업에서도 환경에 대한 각종 센서와 원격 정보전달 등 검사를 정밀하게 할 경우 막대한 용량의 저장, 전달 용량과 그 시굴이 소요되며, 그 저장 정보를 즉시 활용하려 할 경우에도, 정보통신 시스템 용량 증대와 멀티미디어 수요 증대가 테라 급에 달하게 됨에 따라, O-PCB 는 이 수요에 맞추어 환경/국방 정보통신 산업에 크게 공헌 할 것으로 기대되고 있다.
□ 기타사항
이일항 교수는 IEEE, OSA, SPIE, APS, MIT 등 미국, 유럽의 세계최고 학회와 대학, 기업 등으로부터 Plenary, Keynote, Invited 초청강연 쇄도 속에, 이미 100여 차례의 해외학회 초청강연으로 한국의 위상과 명예를 세계적으로 높여 주었다. 또한 250여편의 국제우수 SCI 저널 초청 리뷰논문과 연구논문, 1,100여건의 세계 피인용, 300여건의 국제발표, 100여건의 특허, 다수의 중대형 기술개발 등으로 10여개의 세계적 상을 수상하고, 미국 SPIE 등 국제 광자공학 학술회의 의장, 학술위원장, 국제자문위원 등으로 이 분야를 주도하면서 3권의 국제 학술 도서도 편집/발간하였다. YALE 대학원 당시 노벨상 교수의 지도를 받은 이 교수는 5개의 국제학회가 동시에 수여한 극소수의 “5관 펠로우(Fellow)" 세계석학 위상에 추대된 한국 역사상 최초의 유일한 과학자이기도 하다. 현재 이일항 교수는 과학기술부와 한국과학재단이 지정하는 우수연구센터 (집적형 광자기술 연구센터) (일명 OPERA)의 센터 소장으로, 차세대 광인쇄회로기판, 실리콘 광자공학, VLSI 마이크로/나노 포토닉스 등 ”21세기 광자공학“ 연구에 집중하고 있다.
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