뉴로모픽 소자의 현재와 미래

23뉴로모픽 소자의 현재와 미래

Vacuum Square

23Vacuum Square

서론

1990년대 초에 CERN(유럽입자물리학연구소)에서 입

자가속기내의 미립자 신호를 증폭할 목적으로 처음 개발

되어 채택되고 있는 마이크로 패턴(Micro-Pattern) 전

자 증폭 소재의 하나인 GEM(Gas Electron Multiplier)

이 최근 스위스를 비롯하여 한국 등에서 대량 생산 기술

단계에 도달하면서 그 활용성이 나날이 점증하고 있다.

일반적으로 마이크로 패턴 전자 증폭 소재는 수십 마이크

로미터 크기로 형성된 홀(Hole)형태의 커패시터를 주기

적으로 배열해 구현된다. 그것이 실제 사용되는 방식은

여러 층의 GEM 호일(Foil)들을 겹치는 형태로 구성된다.

아래 Fig.2에서와 같이 챔버 내부가 소정의 기체 분위기

에 놓인 마이크로 커패시터 부위에 고전압을 인가하면,

각각의 커패시터가 ‘가이거 계수기’의 역할을 수행하면서

마치 고밀도로 집적된 일련의 방사선 검출기 배열처럼 작

동하게 된다. 소정의 가스로 채워져 있는 챔버 내부로 어

떤 고에너지 입자가 입사되면, 가스 챔버 내의 기체 원자

를 이온화시키게 되고, 이때 발생되는 전자가 홀(Hole)

형상이 뚫려 있는 GEM 호일 사이를 지나게 되면서 홀

(Hole) 주변에 형성되어 있는 전기장에 의해 전자 사태가

발생하여 전자들이 증폭된다. 이때 GEM 호일을 여러 장

으로 겹쳐주면, 증폭되는 량이 8000배까지 폭증하게 되

므로, 최초에 입사된 신호가 매우 미약하더라도, GEM

호일들을 통과한 이후의 신호는 상당히 크게 증폭될 수

GEM(기체 전자 증폭기)이란?

김근호

│연구실·기업체 탐방│

<저자 약력>

김근호 이사는 1966년 서울에서 출생. 1985년 고려대학교 재료공학과에 입학하여 1992년 졸업. 1992년에서 1998년까지 엘지반도체에서 Diffusion

Process Engineer 경력을 쌓았고, 이후 새로운 반도체 공정용 장비를 개발해왔다. 지난 2013 년 이후 (주)메카로에서 GEM 호일 생산 체계 구축에

힘쓰고 있다.

[Fig. 1]

Vacuum Square

진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 12 December24

있게 된다. 이를 조금 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

GEM 호일에 고전압이 인가되면 마이크로 패턴으로 주기

적으로 배열되어 있는 각각의 초미세 홀(Micro Hole) 주

위에 강력한 전기장이 형성되고, 고에너지 우주방사선 등

에 의해 이온화된 최초 전자가 이 전기장에 의해 가속되

면서, 2차적으로 전리되는 전자들이 다량 발생하게 된다.

이러한 방식으로 처음에 미약했던 신호가 크게 증폭되는

원리이다. 통상 GEM 1개 층(Layer)에 의해 약 20배 정

도로 증폭된다고 알려져 있는데, 1개 층이 아니라 여러 층

을 겹쳐주게 되면 증폭률이 폭증하게 되므로, 종래의 ‘와

이어 챔버’ 기술 등과 비교해 월등한 성능을 갖춘 검출기

를 제작할 수 있게 된다.

이처럼 GEM 호일 기반의 기술을 활용하면 대형 면적

의 검출기 제작도 용이해지고, 검출기 모양을 둥그렇게

할 수도 있게 된다. 또한 어떤 위치에 얼마만큼의 고에너

지가 입사되었는지를 측정해낼 수 있고, 입사되는 에너지

량에 대한 정보구축을 통해 구체적으로 어떤 입자가 입사

되었는지를 구별해낼 수도 있다. 나아가 단위 면적당 입

사되는 입자들의 분포까지 2D로 표현하는 것이 가능해질

수 있으므로, 원자력 발전소에서 사용되는 방사능 물질에

대한 상황을 파악할 수 있는 영상 정보 획득 용도로도 활

용이 가능하다. 현재 이러한 다양한 장점들을 가장 앞서

서 활용하고 있는 곳이 바로 CERN이라고 할 수 있다. 최

근 CERN에서는 대형 입자가속기 내부의 미립자 검출 용

도로 사용하고 있는 중이다. 또한 최근에는 CERN뿐만이

아니라 유럽을 비롯한 미국, 일본 등에서 GEM 기반 기술

을 활용한 다양한 검출 기술들을 새로이 시도하고 있다.

핵입자 물리학 분야에서는 주로 GEM을 미립자 검출기로

활용하고 있다. 웬만한 전자회로들은 강한 방사능 환경에

서 오작동을 일으키거나 문제가 발생하는데 비해 GEM

기반 기술은 내방사능 성능이 매우 우수하여 고휘도 입자

실험 등에 사용하면 유리한 점이 많아지고, 실제로 LHC

실험에서 뮤온 입자 검출기로 활용되고 있기도 하다. 상

업적으론 이탈리아 제미니사에서 의료용 X-Ray 영상 장

치로써 GEM을 활용해 미세한 신호를 증폭하는 신기술

을 개발하고 있고, 또한 같은 원리를 이용하여 미국 플로

리다 대학에서는 항만 보안용 핵 물질 스캐닝 장비를 개

발하고 있기도 하다. 아시아 지역에서는 현재 일본에서

GEM 기반 기술을 활용하여 중성자 검출기 개발을 시도

하고 있고, 한국에서도 기초과학원 중이온가속기 사업단

이 추진 중인 LAMPS 실험에 들어가는 GEM-TPC의 개

발이 시도되고 있다. GEM-TPC는 TPC 최종 신호출력

(Readout) 부위를 통상적인 ‘와이어 챔버’ 대신에 GEM을

적용하는 방안을 시도 중인데, 현재까지 성공적인 것으로

알려져 있다. 이와 같은 일련의 커패시터 구조물들은 통

상 반도체 집적 소자를 만드는 “패턴닝 기술”로 제작되므

[Fig. 2]

[Fig. 4]

[Fig. 3]

Vacuum Square

연구실·기업체 탐방

25Vacuum Square

로, 그리 어렵지 않게 고분해능 센서로서 초미세 패턴으

로 제작이 가능하고, 또한 얼마든지 원하는 정도의 대면

적 크기로 대량 생산이 가능해진다는 장점이 있다. 또한

다양한 흡수체들을 적절히 동원해주기만 하면, 우주선과

같은 고에너지 방사선은 물론이고, 여타 감마선이나 고

에너지 뮤온 입자나 중성자 입자 등을 검출해내는 검출기

등으로 다양하게 응용될 수 있다.

GEM 검출기?

다른 종류의 검출기와 달리 GEM 기반 검출기의 경우

에는 여러 장의 GEM 호일이나 혹은 MSGC 등의 다른 기

체형 검출기를 단지 여러 층으로 겹쳐줌으로써 높은 증폭

율과 빠른 응답속도를 얻을 수 있고, 동일한 전하 이득을

얻기 위해 요구되는 전압이 상대적으로 낮으므로, 검출기

를 안정적으로 사용하는 것이 가능해지며 위치 분해능이

향상되는 효과를 얻을 수 있는 장점을 보유하고 있다. 그

중에서도 특히 GEM 호일을 적용하는 검출기의 경우는

그 구조가 대단히 간단하고 제작하기가 용이해서 제작비

용을 크게 줄일 수 있고, 검출기 동작 중에 발생할 수 있

는 전기 스파크 등에 의한 검출기 손상 가능성도 크게 낮

출 수가 있다. 그 이유는 전자 사태가 일어나는 지점이 차

폐되어 있으므로 기체형 검출기를 장시간 사용함으로써

발생할 수 있는 노화 현상을 줄일 수 있기 때문이다. 더불

어 GEM 검출기는 입사하는 방사선이 챔버 내부의 기체

와 반응을 일으킨 위치를 보다 정밀하게 측정할 수 있다.

또한 오직 여기된 전자만 신호의 형성에 기여하는 구조이

기 때문에 매우 빠른 전기적 신호를 얻을 수 있어서 신호

처리 측면에서도 상당한 이점을 갖게 된다. 또한 검출기

신호를 얻는 부분과 신호를 증폭시키는 부분을 분리할 수

있어서, 보다 안정적인 동작 특성을 얻을 수 있고, 높은

선량의 조건 하에서도 비교적 안정적인 동작이 가능해진

다. 그 외에도 공간 분해능이 우수하다는 점을 들 수 있으

며, 전자 사태가 일어나는 지점이 GEM 호일에 뚫려져 있

는 홀(Hole) 내부로만 한정이 되어 있기 때문에, 전자 사

태에 의해 발생하는 이온이나 광자의 검출기 내투과성이

떨어지는 성질을 가지고 있어 불활성 기체만으로도 안정

적으로 높은 전하 이득을 얻을 수 있다. 그 외에도 GEM

기반의 검출기는 다른 검출 기술보다 높은 계수율을 갖는

다는 장점도 갖고 있다. 지금까지의 내용들을 간략하게

요약해보면,

1. 다른 방사선 검출에 비해 GEM 방식은 구조가 간단

하고, 제작비용이 저렴하다.

2. GEM 호일의 원재료는 캡톤(Kapton)에 구리박막을

입힌 단순한 구조로써, 그 재질이 유연하여 다양한

형태로의 제작이 가능하다.

3. GEM 검출기는 증폭률을 올리기 위해 단지 여러 장

의 호일을 겹쳐주기만 하면 되므로, 증폭율을 올리기

가 매우 용이하다.

4. GEM 방식은 대면적 제작이 가능하여, 검출기를 대

단히 큰 면적으로 만들 수도 있다.

5. GEM 검출기에서 전자가 포집되는 시간이 매우 짧

기 때문에 실시간 측정이 가능하다.

6. GEM 방식은 증폭율이 매우 크므로, 매우 작은 하전

입자에 대해서도 검출이 가능하다.

이와 같은 많은 장점들로 인해, 현재 CERN과 같은 최

신 입자 물리학 연구팀에서 GEM 기반의 검출기 기술을

[Fig. 5]

[Fig. 6]

Vacuum Square

진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 12 December26

대단히 중요시하고 있는 것이다. 한국도 대형 GEM 호일

제조 및 공급 역할에 그치지 않고, 향후 GEM 기반 고에

너지 미립자 검출기 등의 중요 응용 기술을 개발하는 데

까지 적극적으로 나아가 다음과 같은 다양한 활용 분야로

의 진출을 모색하고 있다.

1. 핵의학 및 방사선의학 연구 분야 개척 및 재료 물성

분석 기술 분야 개척

2. 국가 안보 및 국민 안전에 직결되는 핵물리 연구 분

야 및 보안 물질 탐색 분야 개척

3. 우주선 미립자를 비롯해 중성자, 뮤온 입자 측정에

관한 연구 분야 개척

4. 우주 환경의 방사능 연구 및 그 영향성에 대한 연구

분야 개척

향후 GEM 기반 응용 제품의 개발 진행에 따라, 다양한

검출 기술들이 우리들의 실생활 속에서 활용되는 빈도가

계속 늘어날 것으로 기대된다.

한국의 GEM 관련 현황

유럽의 초대형 입자가속기에 사용되는 GEM 호일 한

장을 가공한다는 것은 매우 미세한 홀(Hole)들을 규칙

적으로 배열해야 한다는 것을 의미한다. 그리고 그 홀

(Hole)들은 그냥 원기둥 모양이 아니라, Fig.7과 같이 단

면으로 잘랐을 때, 상하 대칭형으로 가운데 부분이 약간

볼록한 장구 모양의 형태를 정확히 갖추고 있어야 한다.

가령 1000㎜×500㎜ 크기를 가진 대형 GEM 호일 한 장

을 제작하면 Micro-Size Pattern으로 정확히 배열된 약

2000만 개의 홀(Hole)들이 가공된다. 이때 GEM 호일의

전자 증폭률 성능의 고저를 좌우하는 주요 요소중의 하나

는 각 홀(Hole)들의 단면상 형태가 얼마나 대칭적으로 형

성되었는가라고 할 수 있는데, 상부 쪽 식각과 하부 쪽 식

각이 정확히 똑같아야만 비로소 상하의 모양이 대칭적 형

태를 갖춘 형상을 얻을 수 있게 된다.

따라서 이러한 형상을 구현해내기 위해선 반드시 반도

체 소자 제조 공정처럼 여러 단계의 노광 공정, 식각 공

정, 세정 공정들을 반복적으로 수행해야 한다.

현재 스위스에선 GEM 호일 한 장을 제작하기 위해 약

31회의 공정을 반복하는 데에 비해, 한국에서는 그보다

14회가 줄어든 17회의 공정으로 그것을 구현해낸다. 그

리고 그 비결은 위의 Fig.8로 설명이 가능하다. Fig.8에

서 오른쪽은 스위스에서 진행하는 단면 노광 방식, 그리

고 왼쪽은 한국에서 진행하는 양면 노광 방식을 설명해주

고 있다. 한 장의 GEM 호일을 만들기 위해 한국에선 상

하를 한꺼번에 노광 및 식각하여 패턴닝 작업을 해내는데

반해, 스위스에선 위쪽 한번, 아래쪽 한 번, 이렇게 두 번

을 진행한다. 결론적으로 한국의 제조 방식은 상대적으로

더 단순해졌고, 상하가 한꺼번에 식각되므로 대칭성 확보

도 더 용이해지고, 공정이 줄어들므로 자연히 불량 가능

성도 줄어들게 된다. 지난 2007년 이래 한국이 GEM 호

일 제조 역할을 수행하게 된 주요 이력들을 정리하면 그

내용은 대략 다음과 같다.

◎ 2007년부터 한국-CERN 국제협력사업 추진

- 2012년 힉스 입자 발견 (한국인 참여연구자 50여명)

- 2013년 Science 발표 (338호, 2012년 12월21일자)

- 2013년 힉스입자 발견으로 힉스(Higgs)와 엥글러트

(Englert) 노벨상 수상

[Fig. 7]

[Fig. 8]

Vacuum Square

연구실·기업체 탐방

27Vacuum Square

◎ 2012년부터 CMS뮤온검출기업그레이드 프로젝트

참여 시작

- 2013년부터 CMS뮤온업그레이드용 GEM 검출기 개

발 착수 (서울시립대 박인규 교수)

◎ 2013년 CMS뮤온업그레이드 참여 계획에 의거, 사

다리꼴 대형 GEM 호일(Foil)을 연간 200장 한국기

업 (주)메카로에서 CERN으로 공급할 수 있도록 생산

체계 구축하기로 합의

◎ 2014년 세계 최고 정밀도의 GEM Foil 생산 성공

- 2013년 (주)메카로 중소형 300㎜×300㎜ GEM 시

작품 제작 성공

- 2014년 (주)메카로 500㎜×500㎜ GEM Foil 생산

및 세정 시설 구축 완료

- 2014년 서울시립대 소형 50㎜×50㎜ GEM

Chamber 제작 완료

- 2014년 한국산 GEM 검출기 우수한 성능 입증

(CERN 검출기 대비 증폭률 2배)

◎ 2014~2015년 서울시립대 중소형 100㎜×100㎜

GEM Chamber 및 2D 영상 검출기 제작

2007년부터 우리나라는 CMS(Compact Muon

Solenoid) 검출기(Detector) 국제공동연구에 정식으로

참여하여 미립자 뮤온 검출기 업그레이드 프로젝트에 기

여하고 있다. CMS(Compact Muon Solenoid)는 고휘도

LHC 실험에 대비하여 2019년부터 GEM을 활용한 뮤온

검출기 설치를 결정하였고, 우리나라도 이에 참여하게 된

것이다. 한국은 이미 반도체 선진국이라는 국제적 이미

지 각인을 바탕으로, 대형 GEM 호일 제작 및 대량 생산

역할을 부여받게 되었고, 2017년 현재까지 맡은 바 역할

을 성공적으로 수행해오고 있다. 이러한 활동과 연계하여

현재 한국은 100㎜×100㎜, 300㎜×300㎜ 및 500㎜×

500㎜ 크기의 GEM 호일을 완성품으로 제작하여 CERN

에 제공하고 있다. 또한 한국의 기초과학연구원 및 일본

의 KEK실험에도 우리나라에서 제작한 GEM 호일이 공

급되고 있다. 더 나아가 2017년 현재 사다리꼴 모양(높이

1000㎜, 단변 231㎜, 장변 445㎜)의 대면적 GEM 호일을

연간 200장 이상 양산하는 생산체제가 구축되었다. 따라

서 이 분야 가장 선진국이라 할 수 있는 스위스와 동등한

GEM 기반기술을 확보할 수 있게 되었고, 나아가 대형 검

출기 개발을 위한 기초가 완비되었다고 볼 수 있다.

[Fig. 9]