정문석 한양대 교수(물리학과) 공동연구팀이 기존 실리콘 반도체보다 전력 소모가 낮고 효율이 높은 스위칭 소자를 개발했다. ‘스위칭 소자’는 집적회로의 기본 연산을 하는 소자로, 전기신호를 통해 ‘1’ 또는 ‘0’ 상태를 구현한다.

지난 수십 년간 반도체 소자는 구하기 쉽고 공정 비용이 저렴한 실리콘을 기반으로 ‘금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)’ 방식으로 제작됐다. 하지만 이렇게 제작된 반도체 소자는 방대한 양의 데이터를 고속으로 처리하는 인공지능(AI), 슈퍼컴퓨터, 신경망처리장치(NPU)에 적용할 경우, 전력소모가 크고 발열문제가 발생했다. 또 실리콘은 구조적으로 유연성이 낮아 폴더블 폰과 웨어러블 장비에 적용하기 어렵다는 문제점도 안고 있다.

이에 최근 반도체 업계는 낮은 전력 소모로 높은 효율을 내는, 유연성이 높은 새로운 반도체 소자 개발에 심혈을 기울이고 있다. 정문석 교수 공동연구팀은 2차원 단일소재인 몰리브데늄 다이텔루라이드(MoTe2)를 이용했다. MoTe2와 같은 2차원 소재는 반도체 특성을 가지며, 높은 유연성과 투명성 등 높은 물리적 특성 덕분에 향후 다양한 분야에 사용할 수 있다는 평가를 받는다.

정문석 교수팀은 MoTe2를 사용해 상온에서 대기전력과 작동전력이 크게 향상되고 ‘문턱전압 이하 기울기’를 절반가량 감소시킨 초저전력 ‘터널링 전계효과 트랜지스터(Tunneling field-effect transistor, 이하 TFET)’ 개발했다.

해당 트랜지스터는 고분자 중합체 캡슐화 구조설계를 통해 안정성이 높고, 단일접합 기반의 소자 구조로 비교적 간단한 공정으로 설계할 수 있다. 초고속 구동도 가능해 기존 트랜지스터를 완벽히 대체할 소자가 될 것이라고 예상된다.

학계에서는 이번 연구가 기존 TFET 시장의 판도를 이끌 수 있는 새로운 구조를 발표했다는 점에서 높은 가치가 있다고 보고 있다. 복잡한 공정과 낮은 안전성으로 인해 자동화 공정이 힘들었던 여느 TFET 개발 발표와는 달리, 정 교수팀이 개발한 트랜지스터는 상용화 가능성이 높다고 평가받는다.

정문석 교수는 “최근 집적회로 개발은 나노공정 기술개발 또는 3차원 수직 구조 등 집적효율 측면에서 이뤄졌으며, 데이터 믹스와 전략적 아키텍처 구성 등 전력 사용을 최소화하는 방향으로 문제를 해결하고자 했을 뿐 본질적인 문제는 여전히 해결되지 않았다”라며 “이제 더 나아가기 위해서는 혁신적인 기술이 필요한 시점이며, 이번 연구는 이를 위한 하나의 돌파구가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 응옥 탄 즈엉(Ngoc Thanh Duong) 베트남 페니카대((Phenikaa University) 교수와 공동연구로 진행됐고, 논문 「Gate-controlled MoTe2 homojunction for sub-thermionic subthreshold swing tunnel field-effect transistor」는 나노 분야 세계적 학술지 『나노 투데이(Nano Today)』 10월호에 게재됐다.

윤정민 기자 lucas@kyosu.net

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