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반도체 '전기 병목' 줄일 길 찾았다…KAIST, 전류 흐름 나노미터로 포착 [경제일보] 반도체가 작아질수록 전기가 흐르는 통로는 좁아지고 열과 전력 손실은 커진다. 국내 연구진이 이런 ‘전기 병목’을 줄일 수 있는 단일 소재 구조를 구현하고 전류가 경계를 통과하는 모습을 나노미터 수준에서 직접 관찰했다. KAIST는 신소재공학과 홍승범·강기범 교수 연구팀이 성균관대학교 조성범 교수팀과 공동으로 2차원 반도체 소재 안에 준금속과 반도체 영역을 연속적으로 연결하고 전하 이동 과정을 확인했다고 13일 밝혔다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘매터(Matter)’ 2026년 7월호에 게재됐다. 논문은 지난달 12일 온라인으로 먼저 공개됐다. ◆ 칩 작아질수록 커지는 ‘접촉 저항’ 반도체 소자는 금속 전극에서 반도체로 전류를 전달해 작동한다. 그러나 서로 다른 물질이 맞닿는 경계에는 전류의 흐름을 방해하는 장벽이 형성된다. 이때 발생하는 접촉 저항은 소자의 처리속도를 떨어뜨리고 전력 손실과 발열을 키운다. 소자 크기가 줄어들면 반도체 내부 저항보다 금속과 반도체 접점에서 발생하는 저항의 비중이 커진다. 실리콘 미세공정의 물리적 한계를 보완할 후보로 원자층 두께의 2차원 반도체가 주목받고 있지만 높은 접촉 저항은 상용화를 가로막는 주요 과제로 남아 있다. 연구팀은 외부 금속 전극을 반도체 위에 붙이는 기존 방식 대신 백금 다이셀레나이드(PtSe₂) 한 소재 안에 전기가 잘 흐르는 준금속 영역과 전류를 제어하는 반도체 영역을 만들었다. PtSe₂는 두께에 따라 전기적 성질이 달라지는 특성을 지닌다. 상대적으로 두꺼운 4개 층은 준금속, 얇은 2개 층은 반도체로 작동하도록 설계해 두 영역을 하나의 연속된 계면으로 연결했다. 연구팀은 원자힘현미경(AFM)을 이용해 PtSe₂ 내부의 전류 이동을 나노미터 해상도로 측정했다. 그 결과 준금속 영역에서 반도체 영역으로 넘어가는 전류가 경계에서 끊기거나 우회하지 않고 연속적으로 흐르는 것을 확인했다. 논문은 이를 계면에 ‘유의미한 전하 수송 장벽이 없다’는 증거로 제시했다. 접촉 저항이 완전히 사라졌다는 의미라기보다 서로 다른 금속과 반도체를 접합할 때 생기는 추가적인 계면 장벽을 크게 줄일 가능성을 실험적으로 확인한 것이다. 연구팀은 반도체 영역에 전기장을 가해 전류를 조절하는 전계효과도 검증했다. 단순히 전류가 잘 흐르는 소재를 만든 데서 그치지 않고 트랜지스터의 스위치처럼 전류를 켜고 끌 수 있는 기능적 접합 구조임을 확인했다. ◆ AI 반도체 적용 전 대면적 공정·내구성 검증 필요 이번 성과는 별도 금속 전극과의 접촉 문제를 동일 소재 내부의 두께·상 변화로 풀었다는 데 의미가 있다. 접촉 저항과 발열을 줄이면 대규모 연산을 수행하는 AI 반도체와 초저전력 로직 소자의 에너지 효율을 높이는 데 활용될 수 있다. 다만 이번 연구는 원천기술 단계다. 실제 반도체 공정에 적용하려면 웨이퍼 규모에서 준금속·반도체 영역을 균일하게 만들고 기존 제조공정과 결합해야 한다. 반복 작동에 따른 신뢰성과 온도 변화, 대량생산 수율, 실제 접촉 저항 수치도 추가로 검증할 필요가 있다. 홍승범 KAIST 교수는 “2차원 반도체 계면에서 전류가 흐르는 모습을 나노미터 수준에서 직접 확인했다”며 “단일체 계면이 전류 흐름을 방해하지 않는다는 점을 입증한 만큼 차세대 반도체의 접촉 저항 문제를 해결할 원천기술로 활용될 것”이라고 말했다.2026-07-13 09:17:13
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