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물리/반도체/융합 박경덕 교수 연구팀, 상온에서 빛나는 양자 발광체 개발… 효율 130배 끌어올렸다

[간단한 열처리 공정으로 2차원 반도체 상온 발광 한계 극복] 최근 POSTECH 물리학과·반도체공학과·융합대학원 박경덕 교수, 물리학과 박사과정 문태영 씨 연구팀은 UNIST 화학과 서영덕 교수와의 연구를 통해 일상적인 실온에서도 안정적으로 빛을 내는 고효율 양자 발광체 개발에 성공했다. 이번 연구는 나노과학 분야 국제 학술지인 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 온라인판에 게재됐다. 전구는 필라멘트가 달궈지며 빛을 내고, 형광등은 전기가 기체를 자극해 빛을 만든다. 반도체가 빛을 내는 방식은 또 다르다. '전자'와 '정공(빈자리)'이 만나 짝을 이루었다가 사라질 때 빛이 방출되는데, 이 짝을 '엑시톤(exiton)'이라 한다. 특히, 엑시톤이 특정 위치에 안정적으로 머물면 빛을 아주 정밀하게 제어할 수 있어 양자 컴퓨터와 양자 암호 통신의 핵심 기술로 주목받아 왔다. 하지만 현실적인 벽이 있었다. 실험실 밖, 즉 상온에서는 엑시톤이 쉽게 퍼지고 발광 효율이 급격히 떨어졌다. 이유는 두 가지였다. 첫째, 반도체 내부에 남아 있는 잉여 전자가 엑시톤의 발광을 막아 에너지가 빛이 아닌 열로 소모됐다. 둘째, 엑시톤을 한 지점에 안정적으로 붙잡아 둘 구조가 부족했다. 연구팀은 먼저 잉여 전자가 쌓이는 원인을 반도체와 금속 기판 사이에 생기는 ‘물 분자층’에서 찾았다. 원자 세 겹 두께의 2차원 반도체 ‘이황화 몰리브덴’을 금 기판 위에 올리면 공기 중에 있는 수분이 자연스럽게 스며들어 아주 얇은 물 층이 형성된다. 그런데 이 층이 전자가 기판으로 이동하는 길을 막았고, 전자가 반도체 안에 과도하게 남아 발광을 방해하고 있었던 것이다. 해결 방법은 단순했다. 300℃ 진공 환경에서 한 시간 동안 열처리를 하자 물 분자층이 증발했고, 반도체 내부 잉여 전자들이 금 기판으로 빠져나갔다. 전자가 쌓이지 않게 되자 빛 대신 열로 새던 에너지 손실이 크게 줄어들었다. 그리고, 다음 단계는 엑시톤을 한 지점에 모으는 일이었다. 연구팀은 반도체 표면에 지름 500nm(나노미터) 크기의 ‘나노홀’을 만들었다. 이 구조는 주변보다 에너지가 낮은 영역을 형성해 빗물이 낮은 곳으로 모이듯 엑시톤을 한 지점으로 끌어모으는 역할을 한다. 계산 결과 약 98%의 엑시톤이 나노홀 중심에 모여 사실상 한 곳에 갇히는 것이 확인됐다. 이 두 가지 전략을 결합하자, 상온에서 엑시톤 발광 세기가 기존 대비 약 15배 증가했고, 발광 효율은 0.076%에서 10%로 약 130배 뛰었다. 또, 원자간력현미경 탐침으로 압력을 가했을 때 발광 세기가 120% 강해지고, 압력을 제거하면 다시 원래 상태로 돌아와 빛 세기를 물리적으로 조절할 수 있음도 확인됐다. 박경덕 교수는 "이번 연구의 핵심은 실험실 밖에서도 작동하는 양자 발광체를 구현했다는 것“이라며, ”열처리 공정은 대량 생산 가능성을 의미하며, 단일광자 광원, 초고효율 LED, 태양전지, 광 컴퓨팅 소자 등 분야 응용이 기대된다“라고 전했다. 서영덕 교수는 "전하 제어와 변형도 공학을 결합한 접근법이 2차원 소재 기반 양자 정보 플랫폼의 새로운 방향을 제시한 것"이라고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구사업, 우수신진연구사업, 삼성과학기술재단, 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단의 지원으로 수행됐다. ▶️ DOI: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady2186

물리/반도체/융합 박경덕 교수 연구팀, AI 전력난 뒤집을 빛의 혁신… 엑시톤 확산 8,300% 증폭 현상 최초 발견

[데이터센터 전력 폭증 시대 ‘게임체인저’ 등장… 전자의 한계를 넘는 차세대 저전력 AI 반도체 핵심 원리 세계 최초 제시] 기초과학 연구가 인공지능(AI) 시대의 가장 큰 난제 중 하나인 전력 문제 해결의 실마리를 제시했다. POSTECH 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수 연구팀은 2차원 반도체의 ‘엑시톤(exciton)’ 이동을 나노미터(10억분의 1m) 공간에서 정밀하게 제어하고, 이를 기존 대비 최대 8,300%까지 증폭시키는 새로운 물리 현상을 세계 최초로 발견했다고 밝혔다. 이번 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 발생하고, 이는 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. 그러나 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 8,300%에 달하는 엑시톤 확산 증폭 효과를 입증했다. 또한 이 현상은 전압만으로 실시간 제어가 가능했다. 스위치를 켜고 끄듯, 전압을 조절하는 것만으로 엑시톤의 이동 방향과 세기를 자유롭게 바꿀 수 있어, 향후 반도체 칩 내부에서 정보를 빠르고 효율적으로 전달하는 기술로 이어질 가능성이 크다. 이는 기존 전자 기반 회로를 넘어, 빛과 입자의 특성을 동시에 활용하는 새로운 형태의 ‘엑시톤 회로’ 구현 가능성을 보여준다는 점에서 의미가 크다. 이번 연구는 차세대 반도체뿐만 아니라 다양한 산업 분야로의 확장 가능성도 제시한다. AI 데이터센터의 초저전력 인터커넥트, 고효율 광전자 소자, 차세대 태양전지 등에서 엑시톤 흐름을 정밀하게 제어하는 기술은 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다. 특히 에너지 효율이 중요한 미래 산업에서 새로운 설계 패러다임을 제공할 것으로 전망된다. 이번 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 그리고 삼성미래기술육성재단의 지속적인 기초연구 지원을 통해 수행됐다. 단기적 성과에 집중하기보다 장기적 관점에서 나노광학 및 양자물성 연구를 꾸준히 지원한 결과, 세계적 수준의 원천기술 확보로 이어졌다는 점에서 의미가 크다. 연구를 진행한 이형우 박사와 문태영 씨는 “이번 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 “이번 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. 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 현지 기준으로 지난 3월 31일 게재됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-026-02569-8

물리/반도체/융합 박경덕 교수 연구팀, “사진 지울 필요 없다?” 한 칸에 수십만 배 더 담는 빛의 기술

[빛과 엑시톤 기반으로 한 초집적 광 데이터 저장 기술 개발] 스마트폰 용량이 부족해 ‘울며 겨자 먹기’로 사진을 지워본 경험이 있는가. 그런데 앞으로는 추억을 지워야 하는 순간이 줄어들지도 모른다. 최근 POSTECH 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수 연구팀이 기존보다 수십만 배 많은 정보를 저장할 수 있는 광(光) 데이터 저장 기술을 개발했다. 스마트폰 사진 한 장 용량은 10년 전보다 10배 이상 커졌다. 초고화질 영상은 더하다. 여기에 AI 서비스 확산으로 생성·처리되는 데이터까지 늘어나면서, 저장 공간에 대한 수요는 기하급수적으로 증가하고 있다. 하지만 하드디스크든 USB든 기존 장치들은 전기 스위치를 켜고 끄는 것처럼 한 칸(셀, cell)에 ‘0’과 ‘1’ 두 가지 상태로 정보를 기록한다. 더 많은 정보를 저장하려면 정보 저장 칸을 더 많이 만들어야 한다. 그러나 이를 위해 한 칸의 크기를 줄이다 보면 전기적 간섭과 물리적 한계에 부딪히게 된다. 특히, 빛을 활용한 광 저장 기술은 빛이 퍼지는 성질 때문에 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 수준까지 집적도를 높이기 어렵다는 제약이 있었다. POSTECH 연구팀은 반도체 내부에서 빛과 전자가 결합해 형성되는 입자인 ‘엑시톤(exciton)’에 주목했다. 엑시톤은 빛의 특성과 전자의 특성을 모두 가진 입자로 이 입자의 상태를 정밀하게 조절하면 하나의 저장 셀에서 여러 단계의 정보를 표현할 수 있다는 점에 착안한 것이다. 신호등이 빨강, 노랑, 초록 색깔에 따라 서로 다른 신호를 보내듯, 엑시톤 발광 밝기를 여러 단계로 나누어 하나의 셀에 두 가지 이상의 정보를 담는 방식을 고안했다. 연구팀은 이를 위해 ‘금속-절연체-반도체’를 쌓아 올린 나노 터널 접합 장치를 만들었다. 이 구조에서 전하 이동을 미세하게 조절하면 엑시톤이 또 다른 입자 상태로 변하면서 빛의 세기가 달라진다. 연구팀은 이를 이용해 약 60nm 크기 단일 셀에서 세 단계 이상의 발광 상태를 구현하는 데 성공했다. 또한, 저장층 두께를 15nm 이하(머리카락 굵기 약 5,000분의 1)로 얇게 만들어, 소자를 더욱 촘촘히 쌓을 수 있는 기반도 확보했다. 연구팀이 이번에 개발한 기술의 핵심은 정보를 ‘빛의 세기’가 아니라 반도체 내부 입자의 ‘물리적 상태’로 저장한다는 점이다. 빛을 이용해 비접촉 방식으로 데이터를 읽고 쓸 수 있어 장치의 마모와 손상을 줄일 수 있으며, 기존 광 데이터 저장 기술이 가진 근본적 한계를 넘어설 가능성을 제시한다. 이번 연구는 데이터 저장 방식의 한계를 넘어서는 새로운 가능성을 제시한다. 논문 제1저자인 이형우 박사는 "기존 기술이 저장 공간의 확대에 의존했다면, 이번 연구는 빛의 세기가 아닌 반도체 내부 엑시톤의 상태 자체를 정보 단위로 활용했다는 점에서 의미가 크다“라며 "향후 데이터센터와 인공지능 서버, 차세대 반도체 메모리, 스마트 기기 등 여러 분야에 적용될 경우, 저장 기술 패러다임을 바꾸는 전환점이 될 수 있다"라고 연구의 의의를 설명했다. 한편, 연구에 사용된 2차원 반도체 물질의 제작은 성균관대 김기강 교수팀, 결과 분석은 펜실베니아대 Deep Jariwala 교수팀이 참여했으며, POSTECH 주희태, 문태영, 구연정, 김수정 씨가 측정 연구를 함께 수행하였다. 한국연구재단과 삼성미래기술육성사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 표지 논문으로 선정됐다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c15152

전자/IT/반도체 김병섭 교수 연구팀, 스스로 배우는 AI, 사람 대신 반도체 설계한다

[파운데이션 모델 기반 아날로그 반도체 자동화 난제 풀다] POSTECH 연구진이 사람의 감각과 경험에 의존해 오던 반도체 설계 난제를 AI로 해결했다. 이번 연구는 자동화가 어려웠던 ‘아날로그 반도체 설계’ 한계를 극복하며, 반도체 회로 및 시스템 분야 국제 학술지인 ‘IEEE Transactions on Circuits and Systems(TCAS-I)’에 최근 게재됐다. 반도체는 스마트폰, 자동차, AI 서버 등 현대 사회를 움직이는 핵심 기술이지만, 이 가운데 사람의 손과 경험이 가장 많이 필요한 설계 영역은 자동화가 쉽지 않았다. 회로 성능과 안정성을 좌우하는 구조를 수많은 규칙에 맞춰 사람이 직접 배치해야 하기 때문이다. 이처럼 설계자의 감각과 노하우에 의존해 온 대표적인 분야가 바로 ‘아날로그 반도체 설계’다. ‘아날로그 반도체 설계’는 자동화를 시도하기에 구조가 지나치게 복잡하고, 설계 방식도 회로마다 크게 달라 AI 적용도 쉽지 않았다. 또한, 반도체 설계 데이터는 기업 핵심 자산으로 외부 공개가 제한돼 학습에 필요한 데이터도 극히 부족했다. POSTECH 전자전기공학과 김병섭 교수팀은 ‘파운데이션 모델’ 개념에 주목했다. 이 모델은 대규모 데이터로 먼저 학습한 뒤, 소량의 추가 학습만으로 다양한 작업을 수행할 수 있는 범용 AI 모델로, ChatGPT 기반 기술로도 알려져 있다. 연구팀은 이 개념을 아날로그 반도체 레이아웃 설계에 적용했다. 연구의 핵심은 사람이 정답을 알려주지 않아도 AI가 스스로 설계 규칙을 익히는 ‘자기지도학습’ 방식이다. 연구팀은 아날로그 레이아웃1)을 작은 조각으로 나눈 뒤 일부를 가리고, 이를 다시 예측하도록 학습시켰다. 퍼즐 일부를 보고 전체 그림을 맞히도록 훈련하는 방식이다. 연구팀은 이를 통해 단 6개의 실제 반도체 설계 데이터로 약 32만 개의 학습 데이터를 자동으로 생성하는 데 성공했다. 사전학습을 거친 AI는 아날로그 레이아웃에 공통으로 반복되는 구조와 패턴을 자연스럽게 익혔고, 이후 적은 양의 추가 데이터만으로 회로 연결과 구조 형성에 필요한 ‘접점(contact)’, ‘비아(via)’, ‘더미 패턴’, ‘N-웰’, ‘금속 배선’ 등 다섯 가지 설계 작업을 수행했다. 실험 결과, AI가 생성한 레이아웃 96.6%가 설계 규칙과 회로 검증을 모두 통과했으며, 기존 방식에 비해 8분의 1 수준의 데이터만으로도 동일한 성능을 달성했다. 이번 연구는 작업마다 AI 모델을 새로 개발해야 했던 기존 방식에서 벗어나, 하나의 파운데이션 모델을 기반으로 다양한 반도체 설계 작업을 확장할 수 있음을 보여준 성과다. 이는 설계 인력의 부담을 줄이고 개발 기간을 단축해, 반도체 산업 전반의 생산성과 경쟁력을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. 연구를 이끈 김병섭 교수는 “이번 연구는 데이터 부족으로 막혀 있던 아날로그 반도체 설계 자동화의 가능성을 실질적으로 확장한 성과”라고 연구의 의의를 전했다. 또한, 제1저자인 정순규 씨는 “산업 현장 적용을 목표로 연구를 이어갈 계획”이라고 덧붙였다. 한편, POSTECH 전자전기공학과 김병섭 교수, 통합과정 정순규·최원준 씨, 박사과정 최준웅 씨, 어닉 비스와스(Anik Biswas) 석사(現 삼성전자) 연구팀이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부, 정보통신기획평가원, 한국연구재단, 한국산업기술진흥원, BK21 교육연구단의 지원을 받아 수행되었다. ▶️ DOI: https://doi.org/10.1109/TCSI.2025.3615646 1. 아날로그 레이아웃(Analog Layout): 아날로그 회로를 물리적 반도체 칩으로 구현하기 위한 기하학적 패턴 설계

학부 연구의 반란: POSTECH 학부생 논문, 반도체 신뢰성 ‘최고 권위’ 학회 구두발표 채택

[반도체공학과 이병훈 교수 연구팀, 고유전 절연막 고장 ‘사전 예측’ 기술 개발] 반도체공학과 학부생들이 제1저자로 참여한 연구가 반도체 신뢰성 분야 최고 권위 학회인 ‘IEEE International Reliability Physics Symposium(IRPS) 2026’ 구두 발표 논문으로 채택됐다. 학부생 주도 연구가 선정된 것은 이례적인 사례로, 이번 성과를 통해 대학은 글로벌 연구·교육 경쟁력을 국제적으로 다시 한번 입증했다. 최근 반도체공학과 이병훈 교수 연구팀(학부생 홍준영·조재민)이 반도체가 완전히 망가지기 전에, 어디서 고장이 날지 미리 짚어낼 수 있는 새로운 분석 기술을 개발했다. 반도체 소자의 신뢰성을 사전에 확인할 수 있는 길을 연 연구로 평가된다. 반도체가 점점 작아지고 복잡해질수록, 내부 절연막의 작은 결함 하나가 치명적인 고장으로 이어질 수 있다. 특히 고유전율(high-k) 절연막은 필수 소재로 쓰이고 있지만, 랜덤하게 발생하는 결함 때문에 언제, 어디서 고장이 날지 예측하기 어렵다는 한계가 있었다. 기존 기술은 대부분 소자가 거의 파괴된 뒤에야 결함의 위치를 확인할 수 있었다. 연구팀은 레이저를 활용해 절연막 내부의 누설 전류 분포를 정밀하게 들여다보는 ‘레이저 유도 누설 전류 매핑(Laser-Induced Leakage-Current Mapping)’ 기법을 제안했다. 이 방법을 활용하면 소자가 정상적으로 작동하는 초기 단계에서도, 향후 고장으로 이어질 가능성이 높은 ‘취약 지점’을 미리 찾아낼 수 있다. 실험 결과, 초기에 확인된 취약 지점은 이후 전기적 스트레스를 가했을 때 실제 절연막이 파괴되는 위치와 일치했다. 연구팀은 전계(electric field) 강도와 스트레스 시간에 따른 변화를 분석해, 랜덤하게 발생한 결함이 시간이 지나며 고장으로 발전하는 과정을 정량적으로 규명했다. 이번 연구는 낮은 전계 조건에서도 고장 가능성을 조기에 진단할 수 있다는 점에서, 높은 전계를 가한 뒤 결과를 분석하던 기존 신뢰성 평가 방식과 뚜렷이 구별된다. 반도체 공정 개발과 소재 평가, 신뢰성 스크리닝 과정에 활용될 경우, 고집적 반도체 소자의 수율과 안정성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. 논문 1저자인 홍준영 학생은 “소자가 완전히 파괴되기 전 단계에서 고장 가능 지점을 시각적으로 확인할 수 있다는 점이 가장 큰 성과”라며 “다양한 소자 구조와 소재로 확장해 실용성을 높이고 싶다”라고 말했다. 공동 1저자인 조재민 학생은 “명확히 규명되지 않았던 저전계 스트레스 메커니즘을 밝힐 수 있는 원천 기술이 될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 두 학생은 현재 반도체공학과 3+3 학사·석박사 연계 집중교육과정을 이수 중이며, 학부과정을 3년 만에 마치고 내년부터 석박사통합과정에 진학할 예정이다. 교신저자인 이병훈 교수는 “학부생 연구가 국제 학회에서 구두 발표로 선정될 만큼 높은 완성도를 갖췄다는 점에서 의미가 크다”라며 “POSTECH의 교육·연구 시스템이 실질적인 성과로 이어지고 있음을 보여주는 사례”라고 평가했다. 한편, 삼성전자의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 내년 3월 22일부터 26일까지 미국 애리조나주 투손(Tucson, AZ)에서 진행되는 ‘IRPS 2026’에서 발표될 예정이다.

신소재/반도체 김세영 교수팀, 사람 뇌 닮은 AI 반도체, 전력 줄이고 성능 높였다

[POSTECH, 단결정 나노와이어 기반 ECRAM 소자로 신경세포 통합·발화 모사 성공] 사람의 뇌처럼 적은 에너지로 학습하고 스스로 반응하는 AI 반도체가 국내 연구진에 의해 개발됐다. POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 만든 이 소자는 기존 AI 칩보다 전력 소비를 크게 줄이면서 더 정교하게 정보를 처리할 수 있어 차세대 AI 기술의 중요한 전환점이 될 전망이다. AI 기술은 빠르게 발전하고 있지만, 막대한 전력 소비가 큰 문제다. 예를 들어 ChatGPT 운영에 필요한 전력은 일반 가정 수백 가구의 하루 사용량과 맞먹는다. 반면 사람의 뇌는 전구 한 개 수준인 20와트로 복잡한 사고와 학습을 수행하는데, 이는 뉴런과 시냅스가 촘촘히 연결되어 효율적으로 정보를 처리하기 때문이다. 이에 착안해 최근에는 실제 뇌의 구조를 모방한 ‘뉴로모픽 컴퓨팅(Neuromorphic computing)’ 기술 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 기존 ‘ECRAM*1 ’ 소자는 재료가 무질서하게 배열된 비정질 구조를 주로 사용해 실제 뇌신경처럼 정밀하게 동작하는 데 한계가 있었다. POSTECH 연구팀은 원자가 규칙적으로 배열된 육방정계 텅스텐 산화물(h-WO₃) 단결정 나노와이어(nanowire)를 활용했다. 머리카락보다 수백 배 가늘면서 전류가 안정적이고 일관되게 흐르는 이 소재를 기반으로, 연구팀은 세계 최초로 ‘3단자 ECRAM 소자’를 제작했다. 전류를 조절하고 흐르게 하는 전극을 세 개 만들어 실제 뇌의 신경세포처럼 신호를 다방향으로 주고받으며 학습하는 방식을 구현한 것이다. 특히, 이 소자는 반복적인 전기 자극(펄스)을 받으면 전도도가 스스로 증가하는데 이는 뉴런이 일정한 자극 이상에서 정보를 발화하는 ‘통합·발화(integrate-and-fire)’ 메커니즘과 매우 유사하다. 기존에는 신호를 통합·발화하는 ‘뉴런’의 기능과 신호 강도를 조절하며 학습하는 ‘시냅스’의 기능을 별도의 회로로 구현해야 했는데, 이들을 단일 ECRAM 소자에서 동시에 구현하는 데 성공한 것이다. 김세영 교수는 “이번 연구는 뉴로모픽 하드웨어 집적도와 에너지 효율을 획기적으로 높여 AI 반도체의 회로 복잡도를 줄이고 뇌처럼 효율적인 컴퓨팅 시스템 구현의 전환점이 될 것”이라며 연구의 의의를 전했다. 한편, 신소재공학과·반도체공학과 김세영 교수, 신소재공학과 석사과정 이준용 씨 연구팀이 수행한 이 연구는 전자재료 분야 국제 학술지인 ‘스몰(Small)’에 게재됐다. 또한, 산업통상자원부 주관 민관공동투자반도체고급인력양성사업의 고집적 스토리지 클래스 메모리 및 딥러닝 가속기 구현을 위한 CMOS 공정 호환 고성능 ECRAM 개발 및 티키타카 알고리즘과 고성능 시냅스 소자의 co-optimization을 통한 뉴로모픽/인메모리 연산 칩 구현기술 개발과제의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202504071 1. ECRAM(Electro-chemical Random Access Memory): 전기 신호로 이온을 움직이는 화학 반응을 이용해 정보를 저장하는 새로운 방식의 메모리 소자.

반도체 이장식 교수팀, “지친 반도체를 깨워라!” 산소 구멍으로 다시 되살아나는 반도체

[POSTECH 연구팀, 산소 빈자리 조절해 차세대 반도체 수명과 성능 되살리는 기술 개발] 반도체공학과 이장식 교수, 도현서 학생(학부 3학년) 연구팀이 오래 사용해 성능이 떨어지는 ‘피로현상’을 겪는 반도체 부품을 다시 원래 상태로 되돌리는 혁신적인 기술을 개발했다. 이번 연구는 ‘IEEE 전자 소자 학회 저널(IEEE Journal of the Electron Devices Society)’에 최근 게재됐다. 강유전체 메모리는 빠른 속도와 비휘발성을 동시에 갖춘 차세대 메모리 기술로 주목받고 있다. 하지만 반복적인 동작에 따라 메모리 기능이 저하되는 '피로(fatigue)' 현상이 상용화를 가로막는 난제로 남아 있었다. 이는 반도체가 마치 사람처럼 '피로'를 느끼기 때문이다. 반도체의 피로현상은 전자기기 성능 저하의 주요 원인으로, 이를 해결하는 것은 반도체 업계의 오랜 숙제였다. 연구팀은 반도체의 핵심 부품인 '강유전체 커패시터(전기를 저장하는 장치)'에서 일어나는 미세한 변화에 주목했다. 이 부품 안에는 원자 수준의 작은 '산소 빈자리'가 있는데, 이것이 반도체 피로현상의 핵심 열쇠였다. 산소 빈자리는 양(+)전하를 띠고 있어 반도체를 오래 사용하면 이들이 중앙으로 몰리게 된다. 마치 사람이 피곤할 때 특정 부위에 통증이 몰리듯 산소 빈자리가 한곳에 뭉치면 반도체의 성능이 점차 떨어지게 된다. 주목할 점은 이 ‘피로 상태’에 있는 반도체에 순간적으로 높은 전압을 걸어주면 반도체 내부 구조가 재정렬되면서 산소 빈자리가 다시 중성 상태로 바뀌고 고르게 분산된다는 것이다. 이 과정을 통해 반도체는 마치 새것처럼 성능을 회복하게 되는데, 연구팀은 이러한 현상을 ‘회복(recovery)’ 상태라고 명명했다. 이 기술을 활용하면 반도체 소자를 더 오래 쓰면서도 안정적인 성능을 유지할 수 있다. 특히 빠른 동작 속도와 신뢰성이 생명인 인공지능, 자율주행차, 사물인터넷 기기 등 첨단 기술 분야에서 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 이번 연구를 이끈 이장식 교수는 “이번 성과가 강유전체 소재를 이용한 차세대 반도체 개발에 중요한 이정표가 될 것”이라며 “특히 학부생이 주도적으로 실험을 진행하였다”고 이번 연구의 의의를 전했다. 또한, 반도체공학과의 3+3 학사·석박사 연계 집중교육과정을 이수 중인 제1저자 도현서 학생은 “세계적 연구에 참여해 의미 있는 성과를 함께 만들어낼 수 있어 큰 보람을 느낀다”라며, “앞으로도 반도체 분야에서 실질적인 변화를 이끄는 연구자로 성장하고 싶다”라는 포부를 밝혔다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(한국연구재단)의 차세대지능형반도체 기술개발사업과 삼성전자의 지원으로 수행됐다. DOI: https://ieeexplore.ieee.org/document/11053969

물리/반도체/융합 박경덕 교수팀, 더 크고 더 밝고 더 얇은 2차원 디스플레이 만드는 광반도체 현상 규명

[박경덕·노준석 교수 연구팀, 2차원반도체 발광효율 획기적으로 높이는 디스플레이 원천기술 개발] 물리학과·반도체공학과·융합대학원 박경덕 교수, 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수 연구팀이 러시아 ITMO대 바실리 크랍초프 교수와 함께 원자층 두께 2차원반도체의 발광 효율을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다. 스마트폰 등 디스플레이 기기는 야외활동 시 화면이 충분히 밝지 않고, 고전력 사용에 따라 배터리 소모가 급격히 빨라지는 문제도 발생한다. 차세대 전자소재로 주목받는 2차원반도체는 두께가 불과 수 원자층이기 때문에 유연하면서도 뛰어난 전기적·광학적 특성을 가진다. 이 때문에 TSMC 등 글로벌기업들이 반도체칩 양산을 위한 차세대소재로 이미 상용화 연구를 진행하고 있다. 하지만 단위부피당 발광효율이 매우 높은 것에 비하여, 수 원자층 두께에서 발생하는 빛의 절대적인 세기는 여전히 낮기 때문에 디스플레이 소재로의 활용을 위해서는 발광효율 향상이 반드시 필요하다. POSTECH 연구팀은 바비넷 원리(Babinet's principle)*1 와 표면격자공명(surface lattice resonance; SLR)*2 이 발생하는 대면적 금 나노광학안테나 구조를 설계 및 제작하고, 이 위에 2차원반도체를 적층하여 발광효율을 1,600배 증강시키는 소자를 구현하는데 성공했다. 연구팀은 바비넷 원리가 적용되는 역발상의 안테나구조를 고안하여 발광에너지 손실을 최소화하였고, 표면격자공명이 발생하는 배열식 구조를 제작하여 나노광학안테나 효과를 대면적으로 극대화 시킬 수 있었다. 여러 사람이 트램펄린 위에서 리듬을 맞춰 점프할 때 공명 현상에 의해 더 높이 뛰어오를 수 있는 것처럼, 개별 안테나의 효과가 단순히 더해지는 것이 아니라, 배열식 구조의 이중 공명을 통해 발광 세기의 획기적 증폭이 가능해진 것이다. 2차원반도체의 발광효율을 획기적으로 향상시킨 이 연구를 통해 손목에 감거나 의류에 부착하는 웨어러블 디스플레이 개발이 가능해질 전망이며, 디스플레이 소자의 전력소모를 크게 감소시킴으로써 스마트폰 등 전자기기의 배터리 사용 시간을 크게 늘리는 기능도 할 것으로 기대된다. 논문의 제1저자인 POSTECH 구연정씨는 "이번 연구는 2차원반도체가 직면한 발광소재로써의 한계를 극복하고, 차세대 디스플레이와 광반도체 기술 상용화에 중요한 돌파구를 제시할 수 있을 것"이라고 전했다. 한편, 연구에 사용된 안테나 구조의 설계와 제작에는 노준석 교수 연구팀 오동교 씨의 주도로 문정호 박사, 김예슬 씨, 김인기 교수(성균관대)가 참여하였으며, 2차원반도체 소재의 제작에는 POSTECH 김종환 교수 연구팀의 김태호, 양세라 씨가 참여하였다. 또한 POSTECH 물리학과의 김용빈 씨와 ITMO 대학 크랍초프 교수팀이 측정 실험을 함께 수행하였다. 이번 연구는 광학 분야 국제학술지 Light: Science & Applications에 지난 20일 게재됐으며, 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단 등의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-01873-3 1. 바비넷 원리 (Babinet’s principle) : 광학에서 장애물과 그 보완적인 개구부는 유사한 회절 패턴을 생성한다는 원리. 즉, 동일한 형태의 음각과 양각 광학 안테나가 동일한 전기장 증강 효과를 낼 수 있다. 2. 표면격자공명 (Surface lattice resonance; SLR) : 주기적으로 배열된 나노 안테나들이 서로 간섭하여 특정 파장에서 강하게 공명하며 빛을 증폭시키는 현상. 이를 활용하면 넓은 영역에서 효율적으로 빛을 증강할 수 있다.

신소재/반도체 최시영 교수팀, 자연의 비밀로 초소형 메모리 시대 열다

[POSTECH·부산대·성균관대, 광물 구조를 모방해 '원자보다 작은' 강유전 도메인 구현] 신소재공학과·반도체공학과 최시영 교수 연구팀은 부산대 이재광 교수, 통합과정 진영록 씨, 성균관대 최우석 교수팀과의 연구를 통해 자연 광물인 브라운밀러라이트(Brownmillerite)*1 에서 원자 크기보다 작은 수준의 강유전 현상을 발견했다. 이번 연구는 과학 분야 국제 학술지인 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials)'에 현지시각으로 지난 20일 게재됐다. 스마트폰과 컴퓨터와 같은 전자기기의 메모리는 정보를 저장하는 최소 단위인 '도메인' 크기에 제한이 있다. 도메인이 작을수록 같은 공간에 더 많은 데이터를 저장할 수 있지만 도메인을 작게 줄이는 데 한계가 있었다. 도메인을 구성하는 원자들은 주위 원자들과의 결합을 통해 집단적인 진동을 하기 때문에 도메인 크기의 한계를 줄여 초고밀도 메모리로의 응용에 어려움을 겪어왔다. 연구팀은 이러한 한계를 극복할 힌트를 자연에서 찾았다. 연구팀이 주목한 자연 광물인 브라운밀러라이트는 철(Fe) 원자와 산소(O) 원자가 만든 사면체 층(FeO₄), 팔면체 층(FeO₆)이 번갈아 쌓인 독특한 구조로 이루어져 있다. 마치 빵과 햄이 번갈아 쌓인 샌드위치처럼 생긴 구조다. 흥미로운 점은 이 구조에서 '포논 디커플링(phonon decoupling)*2 '이라는 특별한 현상이 일어난다는 것이다. 포논은 원자 진동을 나타내는 개념인데, 일반적으로 원자들이 진동할 때는 주변 원자들도 함께 흔들리지만, 브라운밀러라이트에서는 사면체 층이 진동할 때 팔면체 층은 거의 영향을 받지 않는다. 이 독특한 성질 덕분에, 전기장을 가했을 때 사면체 층에서만 도메인을 만들 수 있다. 연구팀은 SrFeO₂.₅와 CaFeO₂.₅라는 두 종류의 브라운밀러라이트 박막에서 뿐 아니라 CaFeO₂.₅ 단결정 등 다양한 형상의 브라운밀러라이트에서 동일한 현상을 확인하였다. 그 결과, 전기장이 사면체 층에만 영향을 미쳐 원자들의 위치가 바뀌었고, 팔면체 층은 변화하지 않았다. 이를 통해 연구팀은 이 구조를 활용한 강유전체 캐패시터와 박막 트랜지스터 소자까지 제작하며, 실제 작동 가능성을 확인했다. 이 기술이 상용화되면 기존보다 수십 배 작고 빠른 메모리를 만들 수 있을 것으로 기대된다. 그로 인해 스마트폰, 컴퓨터의 저장 용량과 속도는 크게 향상되며, 인공지능(AI), 자율주행차처럼 고속 데이터 처리가 필요한 기술들의 발전도 가속화될 전망이다. 최시영 교수는 "자연에서 찾은 지혜가 첨단 기술의 한계를 넘는 열쇠가 될 수 있음을 보여주는 사례"라며, "아직 밝혀지지 않은 자연 현상이 풀리면 다양한 첨단 기술의 활용도가 더욱 높아질 것"이라고 말했다. 한편, 이 연구는 기초과학연구역량강화사업 (소재이미징해석연구센터), 과학 기술 정보 통신부 중견연구자지원사업, 차세대 지능형 반도체 기술 개발 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02233-7 1. 브라운밀러라이트(Brownmillerite): ABO2.5 화학식을 갖는 산화물로, 산소 사면체와 팔면체가 교대로 배열된 결정 구조다. 2. 포논 디커플링(Phonon decoupling) : 결정 구조 안에서 격자 진동이 서로 간섭하지 않고 독립적으로 움직일 수 있는 현상이다.

전자 최수석 교수팀, “고화질 OLED 디스플레이, 고품질 소리까지” 시각+청각 위치별 통합 디스플레이 혁신

[POSTECH 최수석 교수팀, 픽셀형 Local 멀티 스피커 기능의 다채널 사운드 통합 OLED 구현] 전자전기공학과 최수석 교수, 반도체대학원 박사과정 홍인표 씨 연구팀이 OLED 디스플레이의 각 픽셀마다 서로 다른 소리를 동시에 낼 수 있는 여러개의 스피커 기능의 '픽셀 기반 로컬 사운드(Pixel-based Local Sound)' 기술을 실제 노트북이나 스마트 패트 크기 13인치급 OLED 디스플레이 화면에서 구현하는 기술을 개발했다. 이번 연구는 국제학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 온라인판에 게재됐다. 디스플레이 기술은 고화질의 OLED로의 전환과 높은 해상도, QD 등이 고색감등의 영상 화질적 수준을 높이는데 많은 기술적 혁신이 이루어져 왔다. 그러나, 이러한 기술적 혁신의 완성도 수준이 높아지고, 중국 등의 디스플레이 경쟁국과의 치열한 화질개선 경쟁과 함께 초격차된 디스플레이 기술 돌파 연구 및 지금까지의 영상 화질 기술에 추가로 디스플레이 사용 시 사용자가 느끼는 사실감과 몰입도의 극대화를 높일수 있는 기술적 혁신이 필요한 상황이다. 이러한 측면에서, 디스플레이 사용 시 인간의 여러 시각·청각·촉각 등 다중감각과 센서형 기술을 디스플레이와 호환되게 통합하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이를 위해 단순히 영상을 보여주는 기능을 넘어 소리와 촉감 등 여러 감각을 함께 전달하는 ‘몰입형 인터페이스’로 진화하고 있다. 특히, 현재 디스플레이 사용 시 사용자가 느끼는 몰입감은 영상정보와 청각의 사운드 소리가 완벽하게 어우러지면 사용자의 몰입감의 90% 수준을 결정하며, 크게 디스플레이 사용 몰입감이 높아진다. 이러한 이유로, 현재는 디스플레이의 셋트형 제품을 사용시 사운드바 혹은 다채널 멀티 스피커 등의 별도의 물리적 스피커를 같이 사용하고 있다. 그러나, 별도의 물리스피커의 경우 스피커가 가지는 물리적 부피로 스피커 구성의 공간을 필요로 하며, 자동차 실내등과 같이 좁은 공간에 여러 개의 스피커를 요구하는 경우 더욱 문제가 되고 있으며, 올해 최근 보도에 따르면 자동차 전장화시 디스플레이와 별도의 여러 개의 스피커를 구성하고 있는 상태이다. 이에 따라 OLED 같은 고화질의 얇고 유연한 디스플레이의 화질과 폼팩터 특성과 호환되어 사용자의 몰입감을 극대화 할 수 있는 사운드 기능을 결합하는 디스플레이 연구와 개발이 관심을 받고 있다. 이러한 디스플레이 혁신화 연구는 최근 디스플레이를 선도하는 국내 기업들을 중심으로 진행되고 있으며, 이러한 사례로 모바일 월드 콘그래스 MWC 2024 등에서 구부러지는 OLED를 스피커에 감아 벤딩하는 기술이나, TV OLED 등에 스피커의 익사이터를 체결하여 OLED 스피커 기술 등을 개발해 오고 있다. 그러나, 스피커의 소리를 내는 부품들은 동작 시 사운드 진동이 발생하면서 여러 개의 스피커를 구성할 경우 스피커 사운드 간 서로 방해하면서 정밀하게 음향을 제어하기 어려웠고, 여러 개의 멀티 스피커가 동작 시 발생하는 스피커 음향 진동을 영상 픽셀과 같이 제어하는 것이 어려웠고, 스피커 진동 발생원인 익사이터 부피와 두께가 커져 얇고 유연한 OLED의 폼팩터와의 조화성이 부족한 상황이다. 궁극적으로 멀티 스피커의 기능을 합치고 제어하는 기술은 결국 외부에 따로 여러 개의 스피커를 별도로 사용하는 방식이 여전히 필요한 상황이다. 연구팀은 디스플레이 프레임 내부에 얇은 ‘피에조 엑사이터(piezo exciter)’라는 초소형 부품을 픽셀 배치와 같이 여러 화면 위치에 다중으로 정밀하게 배치했다. 피에조 엑사이터는 전기 신호를 진동으로 바꾸어 소리를 내는 장치로, 일반 스피커처럼 별도의 공간을 차지하지 않으면서도 얇은 디스플레이 안에서 소리를 낼 수 있어 기존의 두께가 큰 익사이터 대비 OLED 와 같은 박형 폼팩터에서 우수한 것이 특징이다. 연구팀은 이를 통해 디스플레이의 각 픽셀이 마치 개별 스피커처럼 작동하면서 픽셀 단위로 각각 다른 소리를 내는 픽셀형의 로컬 사운드 (Local Sound) 기술을 구현했다. 이 과정에서 기존의 여러 스피커 구성 시 OLED의 전체 떨림과 스피커 간 진동 간섭의 기술적 한계를 완벽하게 해결하여, 여러 스피커 간 간섭이 없는 독립적인 사운드 크로스톡 프리 (Sound Crosstalk-free) 멀티 스피커 기능이 구현된 OLED를 최초로 개발하는데 성공하였다. 이 기술의 가장 큰 장점은 디스플레이의 서로 다른 위치에서 여러 소리를 동시에 낼 수 있다는 점이다. 예를 들어 차량 내에서는 운전석에 앉은 사람은 내비게이션 안내를 듣고, 조수석에 있는 사람은 음악을 즐기는 식으로, 한 화면에서 서로 다른 소리를 들을 수 있다. 또한 여러 개의 스피커를 하나의 OLED 디스플레이 화면에서 동작하게 함으로써, OLED를 사용한 유연하고 박형의 특성을 스마트폰이나 가상현실 기기에서도 사용자의 머리 움직임이나 손가락 위치에 따라 공간감 있는 소리를 제공할 수 있어, 더욱 생생한 몰입감을 느낄 수 있다. 더욱 주목할 점은, POSTECH 연구팀은 기술은 실제로 노트북 혹은 스마트 패드에 사용되는 크기인 13인치 OLED 패널을 통해서 실제 OLED 디스플레이 화면 동작 상황에서 원하는 화면 위치에서 별도로 다른 사운드 스피커가 동작하도록 만들어 실험까지 마친 상태라 상용화 가능성도 매우 높다고 할 수 있다. 얇고 가벼운 OLED 디스플레이의 장점은 그대로 살리면서도, 고음질 스피커를 따로 달 필요 없이 화면 자체에서 고급 음향을 들려줄 수 있다는 점도 주목할 만하다. 최수석 교수는 “디스플레이가 단순히 영상만 보여주는 것이 아니라, 시각과 청각을 모두 아우르는 인터페이스로 진화할 가능성을 보여주었다”라며 OLED 디스플레이 사용 몰입감 증가와 함께 “스마트폰, 자동차, 노트북 등 다양한 전자기기에서 얇고 가벼운 디자인을 유지하면서 고음질 사운드를 구현해 차세대 디바이스의 핵심 기술이 될 것”이라고 강조했다. 한편, 이번 연구는 산업통상자원부 전자부품 기술혁신사업, POSTECH 반도체 대학원 지원 사업 프로그램의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202414691