[더테크 이지영 기자] 국내 연구진이 반도체 성능과 전력 효율을 저하시키는 '전기 병목현상'을 해결할 수 있는 새로운 2차원 반도체 구조를 세계 최초로 구현했다. 이번 연구는 AI 반도체와 초저전력 반도체, 차세대 로직 반도체의 전력 손실을 줄일 수 있는 핵심 원천기술로 주목받고 있다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 강기범 교수 연구팀, 성균관대학교 조성범 교수 연구팀과 공동으로 전기가 막힘없이 흐르는 2차원 반도체 구조를 구현하고, 이를 나노미터 수준에서 직접 관찰할 수 있는 분석 플랫폼을 개발했다고 13일 밝혔다.

반도체는 금속 전극과 반도체가 맞닿는 계면에서 발생하는 접촉 저항(Contact Resistance) 때문에 전류 흐름이 방해받고 전력 손실이 발생한다. 특히 반도체가 초미세 공정으로 발전할수록 접촉 저항은 성능 저하와 발열을 유발하는 핵심 난제로 꼽혀 왔다.

공동 연구팀은 기존처럼 금속 전극을 반도체 위에 형성하는 방식에서 벗어나 하나의 2차원 소재 안에 준금속과 반도체 영역을 연속적으로 구현하는 새로운 단일체(Monolithic) 구조를 제안했다.

연구에는 원자층 두께의 2차원 소재인 백금 다이셀레나이드(PtSe₂)를 활용했다. 동일한 박막 내부에서 준금속 영역과 반도체 영역을 자연스럽게 연결해 전류가 경계에서 막히지 않고 흐를 수 있는 구조를 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 원자힘현미경(AFM)을 이용해 박막 내부에서 전하가 이동하는 과정을 나노미터 수준으로 직접 관찰했다. 분석 결과, 준금속 영역에서 반도체 영역으로 전류가 이동하는 과정에서 기존 구조에서 나타났던 전기 병목현상이나 전류 방향 변화 없이 자연스럽게 흐르는 모습을 세계 최초로 확인했다.

이는 단일체 계면이 전류의 흐름을 방해하지 않는다는 사실을 실험적으로 입증한 첫 사례라는 점에서 의미가 크다.

연구팀은 여기에 실제 트랜지스터처럼 반도체 영역에 전기장을 인가해 소자 동작까지 검증했다. 실험 결과 금속과 반도체가 결합된 구조에서도 전류를 안정적으로 제어할 수 있음을 확인하며 차세대 반도체 소자로의 활용 가능성도 입증했다.

이번 기술은 2차원 반도체의 가장 큰 한계였던 접촉 저항 문제를 근본적으로 개선할 수 있는 원천기술로 평가된다. 향후 AI 반도체를 비롯해 초저전력 반도체, 고성능 로직 반도체 등 차세대 반도체의 성능 향상과 에너지 효율 개선에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

홍승범 KAIST 교수는 "이번 연구는 2차원 반도체 계면에서 전류가 흐르는 모습을 나노미터 수준에서 직접 확인한 세계 최초 사례"라며 "단일체 계면이 전류 흐름을 방해하지 않는다는 사실을 실험적으로 입증한 만큼 차세대 반도체의 접촉 저항 문제를 해결할 핵심 원천기술이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 KAIST 신소재공학과 김연규 박사과정과 견민승 박사, 성균관대학교 홍지훈 박사과정이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 Matter 2026년 7월호에 게재됐다.