심우영 연세대 신소재공학과 교수. 과기정통부 제공
자연계에 존재하지 않는 완전히 새로운 구조의 반도체 소재를 세계 최초로 만들어낸 연구자가 4월 대한민국 과학기술인상을 받았다. 하나의 소재에서 기억과 연산을 동시에 수행할 수 있어 인공지능(AI) 연산에 필요한 전력 소비를 크게 줄일 차세대 반도체 기반 기술로 평가된다.
과학기술정보통신부(과기정통부)와 한국연구재단은 대한민국 과학기술인상 4월 수상자로 심우영 연세대 신소재공학과 교수를 선정했다고 8일 밝혔다. 대한민국 과학기술인상은 최근 3년간 독창적인 연구 성과를 낸 연구자를 매달 1명 선정해 과기정통부 부총리상과 상금 1000만원을 수여하는 상이다.
기존 반도체는 원자가 빈틈없이 촘촘하게 들어차 있어 전기를 나르는 전자는 빠르게 움직일 수 있지만 전자보다 훨씬 큰 이온이 지나다닐 공간은 거의 없다. 전자가 움직이면 계산을, 이온이 움직이면 정보를 기억하는 역할을 하는데 기존 반도체는 계산만 할 수 있을 뿐 기억 기능은 별도의 메모리 칩에 맡겨야 한다. 계산할 때마다 데이터를 메모리에서 가져오고 다시 보내야 해 에너지가 많이 든다.
심우영 교수는 1929년 발표된 '폴링의 법칙' 가운데 상대적으로 덜 주목받던 네 번째 법칙을 반도체 설계에 접목해 돌파구를 찾았다. 폴링의 법칙은 결정 구조에서 원자들이 어떻게 배치되는지를 설명하는 화학 이론이다. 연구팀은 폴링의 법칙이 배터리 양극재에 이미 적용되고 있다는 점에 착안해 반도체에도 같은 원리를 응용했다.
연구팀은 서로 다른 성질의 원소 두 종류를 결합해 만드는 화합물 반도체에서 특정 원소만 골라 빼내는 특수 가공법을 사용했다. 구조를 통째로 무너뜨리지 않고 층과 층 사이에 이온이 지나다닐 수 있는 물리적 틈을 만든 것이다. 틈이 고속도로처럼 일직선으로 이어져 이온이 낮은 전압에서도 쉽게 이동할 수 있다.
탄생한 새로운 구조의 반도체는 전자가 빠르게 움직여 계산을 하면서 이온도 틈 사이를 오가며 정보를 기억할 수 있게 됐다. 하나의 소재가 계산과 저장을 동시에 해내는 셈이다.
이번에 개발된 소재처럼 한 곳에서 계산과 기억을 동시에 처리하면 데이터를 주고받는 데 드는 전력 낭비를 없앨 수 있어 AI처럼 대량의 연산이 필요한 분야에서 전력 소비를 크게 줄일 수 있다. 자극을 많이 받을수록 연결이 강해지는 뇌 신경세포인 시냅스의 작동 방식도 흉내 낼 수 있어 사람의 뇌처럼 작동하는 차세대 '뉴로모픽 컴퓨팅' 소자로도 활용이 기대된다.
연구 결과는 국제학술지 '네이처 머티리얼즈'에 2024년 10월 게재됐으며 같은 호의 '이달의 연구 브리핑 논문'으로도 선정됐다.
심우영 교수는 "기존 반도체에서는 이온이 움직일 공간이 없어 기억 기능을 따로 만들어야 했는데 이번 구조에서는 하나의 소재에서 계산과 기억을 동시에 할 수 있는 가능성을 열었다"며 "이런 도전적인 연구가 많아질수록 우리나라가 반도체 소재 분야에서 세계를 선도할 수 있다"고 말했다.
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