[메디먼트뉴스 양경모 기자] 국내 연구진이 반도체 내부 '전기 병목현상'을 해결할 새로운 구조를 개발하고, 전하가 막힘없이 흐르는 것을 세계 최초로 직접 확인했다.
KAIST는 13일 재료과학과 홍승범 교수 연구팀이 강기범 교수 연구팀, 성균관대 조상범 교수 연구팀과 공동으로 차세대 반도체 소자로 주목받는 2차원 소재에서 전기가 막힘없이 흐르는 새로운 구조를 구현했다고 밝혔다.
반도체에서는 금속 전극과 반도체가 만나는 계면에서 발생하는 '접촉 저항'이 성능 저하와 전력 손실의 주된 원인으로 꼽힌다. 특히 반도체가 고도로 집적될수록 접촉 저항의 영향이 커져 차세대 반도체 개발의 가장 큰 기술적 난제 중 하나였다.
연구팀은 기존처럼 반도체 위에 금속 전극을 붙이는 방식 대신, 하나의 2차원 소재 내부에 반금속과 반도체 영역을 연속적으로 형성하는 방식을 고안했다.
원자 두께 수준의 2차원 소재인 '이셀레늄화 백금(PtSe₂)' 박막 하나에 반금속 영역과 반도체 영역을 구현해, 두 영역이 소재 안에서 자연스럽게 연결되는 일체형 구조를 만든 것이다. 이를 통해 전류가 경계면에서 막히지 않고 흐를 수 있는 새로운 구조를 제시했다.
연구팀은 원자 수준까지 표면과 전기적 특성을 측정하는 원자간력 현미경(AFM)을 이용해 박막 내부의 전하 이동을 나노미터 크기에서 직접 시각화하는 데 성공했다.
그 결과 전류가 반금속 영역에서 반도체 영역으로 이동할 때 경로가 막히거나 휘는 '전기 병목현상' 없이 자연스럽게 흐름이 이어지는 것을 세계 최초로 확인했다. 일체형 계면이 전류 흐름을 방해하지 않는다는 사실을 처음으로 실험을 통해 증명한 것이다.
나아가 연구팀은 반도체 영역에 전기장을 가해 소자 동작을 검증한 결과, 금속-반도체 접합 구조에서 안정적으로 전류 흐름을 제어할 수 있음을 확인했다. 이는 차세대 전자 소자로의 응용 가능성을 보여준다.
이번 연구는 2차원 소재 기반 차세대 반도체 소자의 접촉 저항을 획기적으로 줄일 수 있는 원천 기술을 제시했다는 평가다. 향후 인공지능(AI) 반도체, 초저전력 반도체, 차세대 로직 반도체 개발에 폭넓게 적용될 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '매터(Matter)' 2026년 7월호에 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 스팀(STEAM) 연구사업, 나노소재 기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
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