Prospective Students – KAIST Integrated Metaphotonics Group

Q1) KIM 그룹에서는 주로 어떤 연구를 하나요?

저희 그룹의 주 연구 분야는 집적나노광학(integrated nanophotonics)입니다. 전통적으로 실리콘 플랫폼에서 많은 연구가 이루어져서 실리콘 포토닉스(silicon photonics)라고 하는데 최근에는 다양한 플랫폼에서 연구가 되어 그 의미가 좀 더 넓어졌습니다. 기존의 컴퓨터, 휴대폰에 사용되는 반도체 칩이 전자(electron)를 사용하는 반면, 광학칩은 빛 또는 광자(photon)를 활용한다고 보시면 됩니다.

집적나노광학의 기본적인 컨셉은 기존에 실험실 규모에서 구현되던 복잡한 광학 시스템을 소형 반도체 칩으로 집적화 시키는 데 있습니다. 마치 초창기의 진공관 기반 컴퓨터가 건물 규모였다가 반도체 기술이 발전하면서 소형화, 휴대화가 가능해진 것처럼요. 집적화의 장점 중에서도 가장 대표적인 것은 대규모 시스템으로의 확장성(scalability)과 소형화에 따른 휴대성(portability)입니다. 우리가 매일 쓰는 컴퓨터, 노트북, 스마트폰이 확장성과 휴대성의 대표적인 산물이라고 볼 수 있지요. 더 나아가 광학칩은 빛을 나노스케일의 공간에 집약적으로 가두기(confine) 때문에 빛과 물질의 상호작용을 높여주게 됩니다. 특히 마이크로공진기(microresonator)라고 하는 디바이스가 빛의 비선형 및 양자 효율을 크게 증가시켜 주는데, 이는 기존에 광학테이블 기반 자유공간(free-space)에서는 접근하기 어려웠던 영역의 비선형 및 양자 광학 현상을 탐구할 수 있게 해줍니다. 광학칩 기반 주파수 빗(microcomb)이 대표적인 예이지요. 그 외에도 기존 반도체 공정 시스템과의 호환성으로 인한 대규모 생산 및 낮은 단가, 나노공정으로 인한 정교한 얼라인먼트(alignment) 및 안정성 등과 같은 장점이 있습니다.

저희 그룹은 이러한 집적나노광학 칩 기술을 개발하고 이를 활용하는 연구를 합니다. 특히 새로운 물리현상을 기반으로 기존에 없던 새로운 형태의 도파로(waveguide), 공진기(resonator), 변조기(modulator), 모드변환기(mode converter) 등과 같은 디바이스를 개발하고, 더 나아가 이러한 요소들을 활용하여 첨단화된 다음 세대의 광학칩 시스템을 구현하고자 합니다. 저희 그룹의 연구 모토는 ‘bridge the gap between fundamental science and future technologies!’ 즉, ‘기초과학과 미래기술 사이의 가교 역할을 하자!’입니다.

Q2) 교수님의 전문 분야 및 연구 성과, 커리어가 궁금합니다.

광학칩 연구에 있어서 중요한 이슈 중 하나는 집적도, 즉 하나의 칩에 얼마나 많은 소자를 넣을 수 있느냐입니다. 오늘날 컴퓨터에 사용되는 반도체 칩과 마찬가지로 광학칩 또한 집적도를 높일수록 칩의 단가가 내려가고 더 다양한 기능성을 가진 칩을 구현할 수 있습니다. 하지만 전자를 다루는 반도체 칩과 달리 광자를 다루는 광학칩은 빛의 파동성으로 인해 집적도를 높이는 것이 매우 어렵습니다. 이러한 집적도 문제는 광학 분야에서 오랫동안 알려진 이슈였고 저의 가장 주된 연구분야 이기도 합니다.

개인적으로 학부 시절 이와 관련된 이슈를 학과 매거진에서 접하였고 광학 연구에 흥미를 가지게 되었습니다. 대학원 초반에는 플라즈모닉스(plasmonics)를 활용하여 이러한 이슈들을 해결하고자 했으나 금속이 가지는 광학 손실이 언제나 큰 한계였습니다. 그러던 중 무손실 메타물질(all-dielectric metamaterial)을 활용한 연구가 메타표면(metasurface) 분야에서 각광 받았고, 저는 이러한 컨셉을 집적나노광학에 적용하여 광학 혼선(crosstalk)을 크게 줄여주는 도파로를 개발하였습니다. 도파로 간섭에 있어서 두가지 새로운 광학 현상을 발견하였고, 이를 바탕으로 도파로 집적화에 있어서 기록적인 성과를 거둘 수 있었습니다 [Nat. Commun. 9, 1893 (2018), Optica 7, 881 (2020)]. 이러한 연구 성과를 인정받아 최근 미국 국립연구재단(NSF)에서 NSF CAREER AWARD를 받았고 재미한인과학기술자협회(KSEA)에서 젊은 과학기술자상(Young Investigator Grant)을 받았습니다.

그 외에도 마이크로공진기를 동심원(concentric ring) 형태로 결합시켜 분광(dispersion) 특성을 제어하고 이를 활용한 주파수 빗(frequency comb)의 효율적 형성 [Nat. Commun. 8, 372 (2017)], 미국 표준과학 연구소(NIST)에서 개발하고 있는 광-원자 융합 시스템에 필요한 극한모드변환기(extreme mode converter)의 개발 [Light Sci. Appl. 7, 72 (2018)], 광학칩에서의 특이점(exceptional point) 형성 및 이를 통한 균일한 빛의 방출 [Nat. Nanotechnol. 17, 583 (2022)] 등과 같이 광학칩을 활용한 다양한 연구를 하였습니다. 자세한 연구 성과는 홈페이지의 research 및 publication을 참조하시기 바랍니다.

주요 경력으로는 미국 Purdue 대학교에서 석사와 박사를 졸업하였고 (2009-2015), Purdue와 NIST에서 포닥을 하였습니다 (2016-2017). 2017년 가을학기부터 Texas Tech 대학에서 조교수로 근무하다, 2022년 가을학기부터 카이스트에 부교수로 임용되었습니다. 앞으로 카이스트에서 함께 하게 될 연구 및 커리어가 매우 기대됩니다!

Q3) 교수님의 지도방식이 궁금합니다. 어떠한 과정을 통해 연구 지도를 하시나요?

좋은 질문입니다! 🙂 일단 박사는 독립적인 연구자(independent researcher), 즉 문제를 찾고 그 문제를 해결해 나갈 수 있는 사람에게 주어지는 최소한의 자격증이라고 생각합니다. 석사는 적절한 스킬을 가지고 전문성을 요하는 문제 해결에 도움을 줄 수 있는 사람이고요. 학생들이 잘 성장하여 이러한 자격을 갖추고, 졸업할 즈음에는 동료 연구자가 될 수 있도록 도와주는 것이 지도교수의 역할이라고 생각합니다. 개인적으로도 학생들이 성장한 모습을 보게 되는 순간이 가장 보람차고요!

따라서 제가 생각하는 이상적인 지도 방식은 다음의 세 단계를 가집니다.

1단계: 연구 주제와 함께 그 문제 해결 방법을 알려주고 지도한다.
2단계: 큰 주제를 제시하되 문제를 해결하는 방법은 학생이 스스로 찾을 수 있도록 지도한다.
3단계: 학생이 연구 주제를 찾는 것부터 그 해결 방법까지 스스로 독립된 연구를 할 수 있도록 도와준다.

각 단계별로 논문을 하나씩 완성하고 마지막 3단계에서는(박사과정의 경우) 개인의 동기와 역량에 따라 2~3편의 논문을 작성하는 것이 이상적이라고 생각합니다. 물론 어디까지나 이상적인 지도 방식으로, 현실은… 프로젝트 성격, 개인 성향, 환경 등 상황에 따라 많이 달라집니다. ㅠㅠ 제가 도와드릴 수 있는 부분은 최선을 다해 위의 세 단계를 통해 지도하고자 하고, 학생 개개인에 따라 맞춤형으로 각 단계마다의 비중을 다르게 주고자 합니다.

사족: 극단적인 지도방식으로 통상 마이크로 매니지형과 방목형이 있는데, 전자는 입학부터 졸업할 때까지 1단계만 반복하는 경우이고 후자는 시작부터 3단계로 진행하는 경우로 볼 수 있습니다. 각각의 방식이 장단점이 있기에 뭐가 좋다고 할 수 없지만, 학생 각자에게 맞는 방식이 있기에… 지도교수와의 합이 중요합니다. 예를 들어, 방목의 경우에는 첫 논문이 늦게 나오고 학생 간의 격차가 크다는 단점이 있지만, 자기주도적(self-motivate)이고 역량이 있는 학생에게는 자유롭게 연구할 수 있는 좋은 기회가 될 수도 있습니다. 반면 마이크로 매니지형의 경우, 보통 실적이 잘 나온다는 장점이 있지만 (꼭 그렇지는 않을 수도 있습니다;;) 독립된 연구자로 성장할 기회가 적다는 단점이 있습니다. 과도한 업무로 스트레스를 많이 받을 확률도 높고요. 각각의 방법이 일장일단이 있기에 자신의 성향과 맞아야 하고 또 단계에 맞추어 조정을 잘 해야 한다고 생각합니다. 다만 이게 생각보다 어려운 일이라… 지도교수와 학생 간에 많은 대화가 중요합니다. 진솔한 대화를 위해서는 무엇보다도 서로 간의 신뢰가 필요하고요.

Q4) 구체적으로 어떠한 것들을 배우나요? (skill 적인 측면에서)

Skill 적인 측면에서 저희 분야는 크게 세 가지가 필요합니다.

물리적/광학적 이해를 바탕으로 하는 모델링 (시뮬레이션 및 레이아웃 제작 포함)
나노기술을 바탕으로 하는 디바이스 공정
광학 측정을 포함한 다양한 실험

기본적으로 세 가지 모두 어느 정도는 이해하고 작업을 수행할 수 있어야 합니다. 하지만 자신만의 specialty를 살려서 최소 두 가지 이상의 skill set을 갖추길 추천합니다. 보통은 모델링/측정 또는 공정/측정 두 트랙으로 연구를 시작하고 이후에 기회가 될 때 다른 skill을 추가로 배우게 됩니다.

Q5) 졸업하고 난 뒤의 진로가 궁금합니다.

개인적인 관점으로 직접나노광학 연구의 매력은 기초 과학(fundamental science)과 산업 기술(industrial application)에 관련된 연구를 동시에 진행할 수 있다는 점입니다. 따라서 졸업 후의 진로 또한 학계(academia)와 산업계(industry) 모두 다양하게 있습니다.

학계로 진로를 정할 경우에는 보통 포닥을 거쳐 대학교수 또는 연구소로 가게 됩니다. 광학칩 연구와 관련된 연구소가 다양하게 있는데, 국내에는 ETRI, KIST, KRISS 등과 같은 곳이 있고, 해외에는 NIST, SNL, ORNL 등이 대표적인 정부출연 연구소 또는 National Lab입니다.

산업계로 진로를 정할 경우에는 연구 분야를 살려서 입사하는 경우와 꼭 그렇지는 않더라도 기술적인 부분을 살려서 가는 방법이 있습니다. 직접적으로 광학칩 분야와 관련된 회사로는 Samsung, Intel, IBM, IMEC, ASML, NTT, Meta (Facebook), Keysight, Finisar, NeoPhotonics, AyarLabs, Analog Photonics, Voyant Photonics 등이 있고, 이 외에도 다양한 스타트업 기업들이 있습니다. 또한 광학칩 연구를 하면서 반도체 공정 프로세스 및 광학 관련 지식 및 기술을 습득하기에 Samsung, LG, Hynix, Google, Global Foundry, Cisco 등과 같은 반도체 및 광학 관련 부서에 취업하기 용이합니다.

실례로 우리 그룹에서는 세 명의 박사 졸업생이 있는데(Texas Tech), 한 명은 미국 실리콘밸리에 위치한 Lumentum에 senior silicon photonics design engineer로, 다른 두 명은 Intel의 lithography engineer와 test engineer로 입사했습니다. 보시다시피 이들 중 두 명은 박사과정 동안의 연구 분야를 살려서, 한명은 기술적인 부분을 살려서 입사했습니다. 평균 초봉은 150K USD 정도로 한화로 2억이 넘습니다. (다들 저보다 훨씬 더… ㅋㅋ) 학생들의 취업 소식을 들을 때 정말 보람차고 뿌듯합니다! 🙂

구체적인 진로는 2~3년 정도 대학원 생활을 하면서 자연스레 방향이 잡히는 것 같습니다. 물론 그 후에도 계속 변하지만요. 개인적으로는 좀 더 많은 학생이 학계로 진출했으면 하는 바람이 있고, 또한 스타트업 등을 생각하는 진취적인 학생도 있으면 합니다. 대학원 시기는 졸업 후의 (평생?) 진로를 본격적으로 준비하는 시기이니만큼 계속해서 고민하며 자신만의 진로를 찾아가기를 바랍니다. 저는 이를 위하여 최선을 다해서 돕겠습니다.

Q6) 연구실 운영 방안이 궁금합니다. (출퇴근, 주말 근무, 휴가 등 특이 사항들)

일단 기본 원칙은 최대한 자유롭게 연구실 구성원들이 함께 의논하고 필요에 따라 유동적으로 정하고자 합니다. 단지 기본적인 사항들은 함께 연구하고 공유하는 부분들이 있기에 최소한으로 지켜야 한다고 생각합니다. 이와 관련하여 몇 가지 운영 방안을 적어봅니다.

출퇴근: 출퇴근은 자유롭게 하되 가급적 일과시간에는 오피스/실험실에 있는 것을 권장합니다. 연구는, 특히 실험은, 혼자서만 하는 것이 아니라 (혼자 해야 하는 부분도 있습니다;;) 함께 논의하고 서로 배워가는 부분이 있기에 시간과 공간을 함께 하는 것이 도움이 됩니다. 하지만 강제적인 것이 아니라 상황에 맞게 유동적으로 하시면 됩니다. 예를 들어 실험을 하다 보면 늦게까지 해야 할 경우가 있는데, 그런 경우 오후에 출근을 한다든지 자율적으로 시간 관리를 하시면 됩니다.
주말 출근: 당근 없습니다! ㅎㅎ 하지만, 연차가 올라갈수록 오지 말라고 해도 아마도… ㅠㅠ 제 대학원 생활을 돌아보면 (라떼는... 허걱!), 주중에 편하고 싶어서 주말에 조금씩 일하거나 다른 사람에게 방해받지 않고 실험하고 싶어서 주말에 일했던 것 같습니다. 물론 매주 그런 건 아니고 필요에 따라 가끔… ㅎㅎ 자신의 성향에 맞게 책임감있게 일하시면 됩니다.
이메일/문자/전화: 주중 일과시간 외에는 문자와 전화 연락을 일절 금합니다! 이메일의 경우 상황에 따라 미리 보낼 수는 있어도 답메일은 주중 일과시간에만 교환하도록 합니다. 물론 예외 상황(논문 혹은 제안서 마감일)이 있을 수는 있으나 가급적 미리 끝내도록 합니다. 이것만 지켜도 삶의 질이 크게 향상됩니다! 🙂
휴가: 특별한 휴가 기간 제한은 따로 없습니다. 한 달간 유럽 여행도 가능합니다! (단지 졸업이 늦어질 뿐… ㅠㅠ) 다만 프로젝트 및 연구실 상황과 맞춰야 하니 휴가 계획을 미리 의논하는 것은 필수입니다. 참고로 비행기 티켓팅을 다 해놓고 이야기하는 것은 통보이지 의논이 아닙니다… ㅠㅠ
회식 및 단체 활동: 이 부분은 구성원이 정해지면 함께 논의해서 정하고자 합니다. 연구실 분위기는 우리 스스로 만드는 거니까요! ㅎㅎ
미팅: 미팅은 개인미팅, 그룹미팅, 프로젝트미팅이 있습니다. 빈도와 시기는 그룹 사이즈와 프로젝트에 따라 학기마다 유동적입니다. 초반에는 구성원이 적기에 그룹미팅을 매주 정기적으로 갖고 개인미팅을 연구 진행 상황에 따라 가질 계획입니다. 보통은 그룹미팅과 개인미팅을 격주로 갖습니다.

이 외에도 필요에 따라 구성원들과 상의하여 운영방안을 업데이트해 나갈 계획입니다.

Q7) 신생 그룹인가요? 어떠한 장단점이 있을까요?

네, 저희 그룹은 2022년도 가을학기부터 카이스트에서 KAIST Integrated Metaphotonics (KIM) group으로 새롭게 시작하게 되었습니다. 하지만 완전히 새롭다기보다는 미국 Texas Tech University에서 5년간의 노하우가 축적된 renewal 그룹이라고 보시면 될 것 같습니다.

보통 새로운 그룹이라고 한다면 몇 가지 장단점이 있습니다. 장점은 아무래도 학과/학교에서 여러 평가 절차를 통해 뽑았기 때문에 연구 방향 및 지도교수가 promising 하다는 점입니다. 연구 주제 또한 핫하고 발전 가능성이 많은 분야인 경우가 많습니다. 신임교수 또한 tenure 및 승진을 위해 열심히 하기 때문에 실적 또한 잘 나올 확률이 높습니다. 반면 단점으로는 그렇기 때문에… 바쁩니다. 연구실 셋업 등과 같이 해야 하는 일도 좀 있고요 (그나마 저희 그룹은 renewal이라 여러 노하우가 축적되어 있어서 상대적으로 일이 적습니다). 하지만 긍정적으로 보자면 그 과정을 통해서 정말 많이 배웁니다.

결국은 대학원 생활을 통해서 무엇을 기대하고 바라보느냐에 따라, 그 관점에 따라 신임교수/신생그룹이 좋을 수도 있고 안 좋을 수도 있습니다. 도전하길 원하고 열심히 최선을 다해 배우고 연구하길 원하시는 분들, 실적 욕심이 있고 학계에 관심이 많은 학생들에게는 강추입니다!

Q8) 대학원 생활을 성공적으로 보내고 싶습니다. 조언 부탁드립니다.

어려운 질문이네요…^^;; 성공의 정의가 각자 다르고, 너무나 많은 부분이 잘 조화를 이루어야 하기에 모두가 만족할만한 답변은 못 해 드릴 것 같습니다.

다만 대학원 생활은 졸업 후를 위한 준비 과정이라는 점, 대부분 가장 빛나는 20, 30대에 적지 않은 시간을 투자한다는 점을 고려했을 때, 그 시기를 최대한 잘 즐기시라는 원론적인 말씀을 드려야 할 것 같습니다. 열심히 하는 것도 중요하지만 (사실 모두가 열심히 합니다 ㅠㅠ) 지치지 않고 연구를 즐길 줄 아는 것, 좌절스러운 상황에 refresh를 잘하고 self-motivate을 잘하는 것이 중요하지 않나 생각합니다. 대학원 생활을 하다 보면 좌절스러운 순간들이 정말 많이 있기 때문입니다 (실험 실패, 논문 reject, 제안서 reject, 등등…). 이러한 것들에 일희일비 하지 않고 다시 잘 일어날 수 있는 것이 중요한 것 같습니다.

그 외에 또 제가 중요하다고 생각하는 부분은 ‘지도교수 및 연구실 동료들과 신뢰를 바탕을 많은 이야기를 나눠라’는 것입니다. 가끔 혼자만의 생각에 빠져서 부정적이게 되는 경우가 있는데, 이런 경우 아무리 실적이 좋고 진로가 좋아도 행복하지 못한 대학원 생활을 하게 됩니다. 적어도 제 주변을 봤을 때 (적은 샘플이지만) 대학원 생활에 대한 만족 여부는 ‘지도교수 및 동료들과의 신뢰 및 진실된 커뮤니케이션’에서 비롯되는 듯 합니다. 물론, 관계는 쌍방향이라 항상 내 마음대로 되지는 않고 어려운 문제지만, 우리가 모두 노력하고 나아가야 하는 매우 중요한 부분이라고 생각합니다. 🙂

물론, 이 외에도 건강, 가족, 현재의 삶 등등… 기본적인 것들은 default고요! ㅎㅎ
우리 함께 즐거운 대학원 생활을 보냈으면 좋겠습니다. Welcome! 🙂

Frequently Asked Questions (FAQ)