AI 전력난 해법 될까…국내 연구진 '초저전력 반도체' 원리 첫 규명

엑시톤 확산 8천300% 증폭 세계 첫 규명…저전력 반도체 '게임체인저'

(서울=연합인포맥스) 윤영숙 기자 = 국내 연구진이 전자 대신 '빛 기반 입자'를 활용해 반도체 전력 문제를 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 물리 현상을 세계 최초로 발견했다.

데이터센터 전력 폭증으로 한계에 직면한 AI 반도체 기술에 근본적 전환 가능성을 제시했다는 평가가 나온다.

3일 포항공과대학교(POSTECH)에 따르면 포스텍 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수 연구팀은 2차원 반도체에서 '엑시톤(exciton)'의 이동을 나노미터(10억분의 1ｍ)수준에서 제어하고, 이를 최대 8천300%까지 증폭시키는 현상을 규명했다.

연구 결과는 국제학술지 네이처 머티리얼즈에 지난달 31일 게재됐다.

엑시톤은 반도체 내부에서 전자와 빛의 성질이 결합한 입자로, 전기적으로 중성이기 때문에 이동 과정에서 열 발생이 거의 없다.

기존 반도체가 전자의 이동으로 정보를 전달하면서 필연적으로 발열과 에너지 손실을 겪는 것과 달리, 엑시톤은 초저전력 정보 전달 매개체로 주목받아왔다. 다만 그동안 정밀 제어가 어려워 실제 소자 적용에는 한계가 있었다.

연구팀은 빛과 전기장을 나노미터 공간에 집중시키는 '나노 공진 분광 기술'을 개발해 이 문제를 해결했다. 이를 통해 반도체 내부의 에너지 지형을 정밀하게 조절하며 엑시톤의 이동을 직접 생성·관측하는 데 성공했다.

특히 좁은 공간에 모인 엑시톤이 서로 밀어내며 더 빠르게 확산하는 새로운 메커니즘이 확인됐다. 연구팀은 이 현상이 단순한 입자 수가 아니라 '밀도 기울기'에 의해 결정된다는 점을 밝혀냈고, 기존 대비 최대 8천300%의 확산 증폭 효과를 입증했다.

이 기술은 전압만으로 실시간 제어가 가능하다는 점에서도 의미가 크다. 스위치처럼 전압을 조절해 엑시톤의 이동 방향과 세기를 바꿀 수 있어, 향후 반도체 칩 내부에서 정보를 빠르고 효율적으로 전달하는 '엑시톤 기반 회로' 구현 가능성을 열었다.

이번 성과는 AI 반도체의 핵심 병목으로 꼽히는 전력 문제 해결에 직접적인 영향을 줄 것으로 기대된다. 현재 AI 데이터센터는 도시 단위 전력을 소비할 정도로 에너지 부담이 커지고 있으며, 발열 문제 역시 성능 확장의 주요 제약으로 작용하고 있다. 엑시톤 기반 정보 전달 기술은 이러한 구조적 한계를 근본적으로 완화할 수 있는 대안으로 평가된다.

연구팀은 향후 해당 기술이 초저전력 인터커넥트, 고효율 광전자 소자, 차세대 태양전지 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것으로 보고 있다.

박경덕 교수는 "이번 성과는 기초물리 연구를 통해 산업기술 적용의 가능성을 구체적으로 보여준 사례"라며 "향후 저전력 AI 반도체와 신개념 광소자 융합 기술로 확장될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

ysyoon@yna.co.kr