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| 2차원 반도체 위에 초미세 금속 팁을 정밀하게 배치해 나노미터 공간에서 8300% 엑시톤 흐름 증폭 현상이 가능함을 묘사한 그림. (그림=포스텍 제공) |
기초과학 연구가 인공지능(AI) 시대의 가장 큰 난제 중 하나인 전력 문제 해결의 실마리를 제시했다.
포스텍 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수 연구팀은 2차원 반도체의 '엑시톤(exciton)' 이동을 나노미터(10억분의 1m) 공간에서 정밀하게 제어하고 이를 기존 대비 최대 8300%까지 증폭시키는 새로운 물리 현상을 세계 최초로 발견했다고 3일 밝혔다.
연구는 단순한 물리 현상을 넘어 데이터센터 전력 폭증과 반도체 발열 문제로 대표되는 AI 시대의 구조적 한계를 근본적으로 극복할 수 있는 차세대 정보전달 방식의 가능성을 제시한 성과로 평가된다.
현재 반도체는 전자의 흐름을 이용해 정보를 전달한다. 하지만 전자가 이동할수록 필연적으로 열이 발생한다. 곧 에너지 손실과 성능 저하로 이어진다. 실제로 AI 데이터센터는 도시 하나에 맞먹는 전력을 소비할 정도로 에너지 문제가 심각해지고 있다. 이러한 한계를 극복할 대안으로 주목받는 것이 바로 '엑시톤'이다.
엑시톤은 반도체 내부에서 빛과 전자의 성질이 결합된 입자로, 전기적으로 중성이기 때문에 이동 과정에서 열 발생이 거의 없다.
이 때문에 차세대 초저전력 정보 전달 매개체로 주목받고 있다. 하지만 지금까지는 엑시톤을 원하는 방식으로 정밀하게 제어하는 것이 매우 어려워 실제 소자 응용에 큰 제약이 있었다.
박경덕 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 빛과 전기를 나노미터 수준에서 자유롭게 다룰 수 있는 새로운 방식의 나노 공진 분광 기술을 개발했다.
이 기술을 이용하면 빛과 전기장이 최첨단 반도체 공정의 최소 선폭 정도의 초미세 공간에 모이면서 반도체 내부의 '에너지 지형'을 나노 공간에서 정밀하게 제어하고 동시에 관측할 수 있다.
연구팀의 이형우 박사는 이 방법을 통해 특정 영역에 엑시톤을 집중시켰고 그 과정에서 기존 이론과는 다른 흥미로운 현상을 발견했다.
좁은 공간에 모인 엑시톤들이 서로 밀어내며 오히려 더 빠르고 강하게 바깥으로 퍼져나간 것이다.
연구팀은 이 현상이 단순히 엑시톤의 개수가 많아서가 아니라 엑시톤이 얼마나 가파르게 몰려 있는지를 나타내는 '밀도 기울기'에 의해 결정된다는 사실을 밝혀냈다. 이를 통해 기존 방식 대비 최대 8300%에 달하는 엑시톤 확산 증폭 효과를 입증했다.
연구를 진행한 이형우 박사와 문태영 씨는 "연구는 나노미터 공간에서 엑시톤의 이동을 직접 생성하고 관측한 첫 사례로, 기존에는 알 수 없었던 새로운 이동 메커니즘을 확인했다"며 "엑시톤 기반 소자 설계의 핵심 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 설명했다.
박경덕 교수는 "성과는 기초물리 연구를 통해 산업기술 적용의 가능성을 구체적으로 보여준 사례"라며 "기초과학에 대한 장기적인 투자와 신뢰가 있었기에 가능했으며 향후 저전력 AI 반도체와 신개념 광소자 융합 기술로 확장될 수 있을 것"이라고 밝혔다.
포항=김규동 기자 korea808080@
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