KAIST와 성균관대학교 공동 연구팀이 차세대 반도체의 성능 저하와 전력 손실을 유발하는 ‘전기 병목현상’을 줄일 수 있는 2차원 반도체 구조를 세계 최초로 구현하고, 전류가 막힘없이 흐르는 모습을 실험으로 확인했다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 강기범 교수, 성균관대 조성범 교수 연구팀과 함께 하나의 2차원 소재 안에서 준금속과 반도체 영역을 연속적으로 구현하는 구조를 개발했다고 16일 밝혔다.

기존 반도체는 금속 전극과 반도체가 맞닿는 경계에서 발생하는 접촉 저항 때문에 전력 손실과 성능 저하가 발생했다. 특히 반도체 소자가 미세화될수록 이 문제는 더욱 커져 차세대 반도체 개발의 주요 난제로 꼽혀왔다.

연구팀은 원자층 두께의 2차원 소재인 백금 다이셀레나이드(PtSe₂) 안에서 준금속과 반도체 영역을 하나의 구조로 구현했다. 또 원자힘현미경(AFM)을 이용해 전류가 두 영역 사이를 이동할 때 병목현상 없이 자연스럽게 흐르는 모습을 나노미터 수준에서 세계 최초로 확인했다.

연구팀은 이 구조에 전기장을 가해 실제 트랜지스터와 같은 방식으로 전류를 안정적으로 제어할 수 있다는 점도 검증했다.

홍승범 교수는 “2차원 반도체 계면에서 전류가 흐르는 모습을 나노미터 수준에서 직접 확인한 첫 사례”라며 “차세대 반도체의 접촉 저항 문제를 해결할 핵심 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 STEAM연구사업과 나노소재기술개발사업 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘매터(Matter)’ 7월호에 게재됐다.