- 국내 연구자 중 유일하게 참여해 반도체 미세화 한계 극복할 ‘차세대 전자소자’ 핵심 장 집필 주도

- 원자 한 층 두께 신소재의 대면적 제작 및 결함 제어 등 공학적 상용화 정량 목표 구체화

                                                                                          ▲ 에너지과학과 송승욱 교수(IBS 이차원양자헤테로구조체연구단 팀리더)

에너지과학과 송승욱 교수(기초과학연구원(IBS) 이차원양자헤테로구조체연구단 팀리더 겸임)는 미국, 영국, 독일, 스위스, 중국 등 6개국 정상급 연구자 33명으로 구성된 국제 공동 연구진과 함께 차세대 반도체 핵심 후보인 ‘2차원 소재’의 상용화 기술 로드맵을 발표했다. 송 교수는 국내 연구기관 소속 연구자로는 유일하게 저자로 참여했으며, 미래 반도체 기술의 핵심 청사진을 담은 ‘차세대 전자소자’ 장의 책임 집필(교신저자)을 맡아 본교의 학술적 위상을 전 세계에 각인시켰다.

이번 연구 성과는 나노 신소재 분야의 세계적 권위지인 ‘2D 머티리얼즈(2D Materials, IOP Publishing)’에 게재됐다. 학술지가 해당 분야를 선도하는 최고 석학들에게 집필을 의뢰하는 전망 논문인 ‘로드맵’은 전 세계 연구자뿐만 아니라 주요국 정부의 과학기술 정책 수립과 대형 연구비 지원의 핵심 가이드라인으로 널리 활용된다.

우리가 매일 사용하는 스마트폰이나 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 반도체 칩은 실리콘(규소)으로 만들어진다. 하지만 기기가 갈수록 고성능화되면서 내부 스위치(트랜지스터)의 크기가 수 나노미터(nm, 10억 분의 1미터) 수준으로 극도로 작아졌다. 그 결과 전자가 통과하는 고속도로가 원자 몇 개 수준으로 지나치게 좁아져, 전자가 벽에 부딪혀 속도가 크게 떨어지고 극심한 열이 발생하는 ‘미세화의 물리적 한계’에 직면해 있다.

송승욱 교수 연구진은 종이처럼 얇은 ‘원자 한 층’ 두께의 2차원 반도체 소재에서 완벽한 해법을 찾았다. 2차원 소재는 표면에 끊어진 결합(댕글링 본드)이 없어 전자가 마치 얼음판 위를 미끄러지듯 빠르고 매끄럽게 달릴 수 있다. 또한 기존 실리콘 반도체보다 부품을 아파트처럼 높고 촘촘하게 쌓아 올리는 집적도를 150% 이상 끌어올릴 수 있다. 특히 계산 장치와 기억 장치를 한 칩에 결합해 데이터 이동 거리를 대폭 줄임으로써, 막대한 전력을 소모하는 인공지능(AI) 반도체의 고질적인 발열과 전력 문제를 획기적으로 해결할 수 있다.

이번 로드맵은 이러한 차세대 신소재가 단순한 실험실 연구 단계를 넘어 실제 산업 공장에 도입되기 위해 달성해야 할 구체적인 공학적 목표 수치를 최초로 확립했다. 연구진은 12인치(300 mm) 이상의 대형 웨이퍼 위에서 400℃ 이하의 공정 온도로 소재를 균일하게 제작하고, 1억 번 이상 데이터를 썼다 지워도 최소 10년 이상 안전하게 유지되는 정량적 기준을 명확히 제시했다.

송승욱 교수는 “2차원 반도체는 실리콘 반도체의 시대를 계승할 가장 유력한 주인공이지만, 실험실 수준의 성과를 실제 상용 제품으로 연결하기 위해서는 균일한 대량 생산 기술과 정밀한 소자 제작 기술이 동시에 맞물려 발전해야 한다”며 “이번에 제시한 종합 로드맵이 국내 반도체 연구진과 산업계가 미래 글로벌 시장의 주도권을 선점할 구체적인 상용화 전략을 수립하는 데 든든한 나침반이 되기를 기대한다”고 소감을 밝혔다.

한편, 이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 이차원양자헤테로구조체연구단과 과학기술정보통신부·한국연구재단의 기초연구사업 지원으로 충실히 수행되었다.

                                                                                            ▲ 2차원 반도체 소재 기반의 차세대 전자소자 구조 진화 및 응용

※ 논문명: Advancing Electronic-Grade 2D Materials: Challenges, Opportunities, and Vision  

※ 학술지: 2D Materials

※ 저자명: Chengye Dong(미국 펜실베이니아 주립대), Joshua A. Robinson(미국 펜실베이니아 주립대), 송승욱(성균관대 에너지과학과·IBS), Deep Jariwala(미국 펜실베이니아대) 외 29명  

※ 논문링크: https://doi.org/10.1088/2053-1583/aeaa65