헤르베르트 크뢰머: 불가능한 장치를 설계한 물리학자

1963년, 팰로앨토의 배리언 어소시에이츠(Varian Associates)에서 근무하던 헤르베르트 크뢰머(Herbert Kroemer)는 서로 다른 반도체를 샌드위치처럼 쌓아 만든 레이저를 제안했습니다. 당시에는 아무도 그것을 만들 수 없었습니다. 필요한 결정 성장 기술이 존재하지 않았고, 수년 동안은 불가능할 것이었습니다. 하지만 그는 제안을 강행했습니다. 60년 후, 이중 이종구조 레이저는 광섬유 네트워크와 CD 플레이어의 광원이 되었으며, UCSB 동료 존 바워스(John Bowers)의 말처럼 "인터넷을 가능하게 하여 세상을 변화시킨" 장치가 되었습니다.

바이마르에서 괴팅겐까지

그는 1928년 8월 25일 바이마르에서 태어났습니다. 그의 가정에는 학문적 전통이 전혀 없었습니다. 아버지는 공무원이었고 어머니는 가정주부였으며, 두 분 모두 고등학교를 졸업하지 못했습니다. 독일이 붕괴하던 청소년기를 거쳐 그는 물리학의 길로 들어섰습니다. 1951년 괴팅겐 대학교에서 학위를 받았고, 1952년 이론물리학 박사 학위를 취득했습니다. 그의 박사 논문 주제는 트랜지스터의 고온 전자 효과였는데, 이는 1947년 트랜지스터가 처음 발표된 지 불과 5년밖에 되지 않은 시점에 선택한 주제였습니다. 이는 기술이 정착되기 전에 미리 뛰어드는 그의 평생 습관을 보여주는 첫 번째 징후였습니다.

산업계에서의 격동의 10년

크뢰머의 20대와 30대는 두 대륙의 산업 연구소를 오가며 보냈습니다. 이 패턴은 산만해 보이지만, 그가 줄곧 같은 아이디어를 추구했다는 점을 알면 그렇지 않습니다. 그는 1952년 독일 우체국 산하 다름슈타트 통신 연구소에서 일을 시작했습니다. 1950년대 중반에는 뉴저지주 프린스턴의 RCA 연구소로 옮겼습니다. 1957년부터 1959년까지는 함부르크의 필립스 연구소에 있었습니다. 1959년에는 팰로앨토의 배리언 어소시에이츠로 옮겨 그의 가장 중요한 업적을 남긴 10년을 보냈습니다.

그 과정에서 그는 드리프트 트랜지스터를 발명했습니다. 이는 불순물 농도를 단계적으로 조절하여 확산만 사용할 때보다 캐리어를 베이스 전극으로 더 빠르게 이동시키는 장치였습니다. 이는 그가 평생을 바쳐 발전시킨 아이디어의 시작이었습니다. 즉, 반도체의 내부 구조를 설계하여 자연 상태에서는 불가능한 방식으로 전자가 행동하게 만들 수 있다는 것이었습니다.

두 가지 재료가 필요한 트랜지스터

RCA에서 크뢰머는 이종접합 바이폴라 트랜지스터의 개념을 정립했습니다. 기존의 반도체 장치는 단일 재료(서로 다른 영역에 다르게 도핑된 실리콘)로 만들어집니다. 크뢰머의 제안은 두 다른 반도체를 접합하여, 계면에서의 밴드갭 변화가 그 자체로 캐리어에 힘을 가하도록 하는 것이었습니다. 이는 외부 전압 없이도 준전기장(quasi-electric field) 역할을 하는 것이었습니다. 1950년대 중반, 그는 이것이 가져올 구체적인 성능 이점을 확인했습니다. 이 주장은 이론적으로는 깔끔했으나 실용적으로는 너무 앞서 있었습니다. 서로 다른 결정 사이에 원자 수준으로 정밀한 접합을 만드는 데 필요한 재료 과학은 수십 년 후에나 가능했기 때문입니다.

아무도 만들 수 없었던 레이저

1963년의 이중 이종구조 제안은 같은 논리를 빛에 적용한 것이었습니다. 크뢰머는 캐리어와 광자를 두 개의 넓은 밴드갭 클래딩 층 사이의 얇은 활성층에 가두면, 극저온 펄스 방식이 아닌 실온에서 연속적으로 작동하는 레이저를 얻을 수 있다고 주장했습니다. 이것이 바로 반도체 레이저를 실험실의 신기한 물건이 아닌 실용적인 장치로 만든 설계 원리였습니다. 레닌그라드에서 독립적으로 연구하던 조레스 알페로프(Zhores Alferov)도 같은 영역을 추구했습니다. 2000년, 두 사람은 "고속 및 광전자공학에 사용되는 반도체 이종구조 개발"에 대한 공로로 노벨 물리학상을 공동 수상했습니다.

1964년 크뢰머는 특정 반도체에서 고주파 전기 진동의 메커니즘인 건 효과(Gunn effect)에 대한 최초의 정확한 설명을 발표했습니다. 이는 학계가 그 문제에 대해 합의하기 전에 물리학적 해답에 도달한 또 다른 사례였습니다.

산타바바라와 복합 반도체에 대한 베팅

그는 1968년 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스에서 전기공학 교수로 학계에 입문했고, 1976년 캘리포니아 대학교 산타바바라(UCSB)로 옮겨 도널드 W. 휘티어(Donald W. Whittier) 전기공학 석좌교수 및 재료공학 겸임 교수를 역임했습니다. 그곳에서 그는 자신의 과학적 도박만큼이나 반항적인 기관적 도박을 감행했습니다. 그는 학과를 설득하여 모든 것을 지배하던 실리콘 대신 화합물 반도체(갈륨 비소 및 그 관련 물질)에 투자하게 했습니다. 그는 세계적인 그룹으로 성장한 팀의 첫 번째 멤버였습니다. 그는 또한 말년에 실험 물리학자로 변신하여 UCSB에서 분자선 에피택시(MBE)를 개척하고, 아무도 시도하지 않았던 재료 시스템에 적용하여 마침내 1950년대 이론이 가정했던 원자 수준의 정밀한 계면을 구축했습니다. 그는 2012년에 은퇴했습니다.

교사, 교과서 저자, 신사

크뢰머는 매우 명쾌한 두 권의 교과서를 집필했습니다. 1980년 찰스 키텔(Charles Kittel)과 함께 2판을 낸 《열물리학(Thermal Physics)》과 《공학, 재료과학 및 응용물리학을 위한 양자역학(Quantum Mechanics for Engineering, Materials Science and Applied Physics)》입니다. 동료들은 그를 날카로운 유머 감각을 지닌 사람으로 기억합니다. 그는 초등학생 방문객과도 대학원생과 다름없이 물리학을 논할 수 있었고, 세미나에서 어려운 질문을 던지면서도 결코 답변을 판결처럼 느끼게 하지 않았습니다. 우메시 미슈라(Umesh Mishra) 학장은 그를 인도적 의미의 구루(guru)에 비유했습니다. 즉, 기술적 내용과 함께 "도덕, 윤리, 리더십, 우아함, 관대함"을 전수하는 사람이었습니다. 나카무라 슈지(Shuji Nakamura)는 자신의 청색 LED 발명이 크뢰머의 이종구조 개념 덕분이라고 공을 돌렸습니다. 크뢰머는 2003년 미국 시민권을 취득했으며, 종교는 "단지 희망 사항일 뿐"이라고 말하는 솔직한 무신론자였습니다.

헤르베르트가 천재라 불리는 이유

여기서 독특한 능력은 예견적 장치 물리학입니다. 아직 제작할 수 없는 구조의 동작에 대해 올바르게 추론하고, 다른 모든 사람이 증거를 기다리는 20년 동안 그 추론을 신뢰하는 능력입니다. 크뢰머는 스스로 이 기질을 설명하며, 거짓 겸손이나 천재성을 주장함 없이 이렇게 말했습니다. "처음부터 저는 사람들이 할 수 있는 것보다 몇 세대 앞선 것들에 항상 관심이 있었습니다. 작은 단계는 저를 흥미롭게 하지 않았습니다. 저는 큰 단계에 관심이 있었습니다." 후배 동료들에게 주는 조언도 여기서 비롯되었습니다. 관심 있는 일을 하고, 응용 분야는 무시하며, 기회주의자가 되라는 것이었습니다.

기록이 실제로 뒷받침하는 것은 단순한 처리 능력이 아니라 판단력입니다. 이종접합 트랜지스터, 이종구조 레이저, 건 효과 등 세 번이나 그는 학계와 기술이 합의하기 몇 년 전에 올바른 물리적 원리를 식별했습니다. 이는 드문 적중률이며, 노벨 위원회, 2002년 IEEE 명예 메달 심사위원단, 그리고 독일 정부가 그에게 대십자 공로훈장을 수여한 이유입니다.

반대 사례도 정직하며 언급할 가치가 있습니다. 크뢰머는 자신이 유명해진 그 레이저를 직접 만들지는 않았습니다. 알페로프의 연구팀과 산업 연구소들이 그것을 현실로 만든 결정 성장을 수행했으며, 알페로프가 상을 공동 수상한 데에는 충분한 이유가 있습니다. 20년 동안 테스트할 수 없는 아이디어는 생성하기는 쉽지만 검증하기는 어렵습니다. 크뢰머의 기록에는 다른 사람들이 그것을 실현할 인내심을 가졌을 때만 중요해진 제안들도 포함되어 있습니다. 동료들은 그를 "천재"보다는 "신사"나 "구루"로 더 자주 불렀습니다. 공정한 평가는 그가 비정상적으로 신뢰할 수 있는 물리적 직관을 가졌고, 그것을 일찍 발표할 배짱이 있었다는 것입니다.

유산

모든 광섬유 링크, 휴대폰 전력 증폭기, 위성 송신기, LED 전구는 아무도 구현할 수 없었을 때 크뢰머가 주장했던 원리로 작동합니다. 즉, 장치 내부의 밴드갭 환경을 설계하는 것이 단일 재료를 중심으로 장치를 설계하는 것보다 더 강력하다는 것입니다. 그는 2024년 3월 8일 산타바바라에서 95세를 일기로 세상을 떠났으며, 자신의 샌드위치 구조로 지어진 세상을 지켜볼 만큼 충분히 오래 살았습니다.