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[IT뉴스]자연계 없던 반도체 모델 첫 제안…저전력 ‘AI 칩’ 새 지평 열어

온카뱅크관리자

2026-04-01 17:47:34

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 4월 대한민국과학기술인상 심우영 연세대 신소재공학과 교수 1929년에 나온 ‘폴링의 법칙’ 응용 틈 오가는 이온을 ‘기억’으로 변화 AI 반도체 경쟁 속 새로운 길 제시 차세대 산업·국가안보 등에 적용 기대 
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 <img alt="심우영(오른쪽) 연세대 신소재공학과 교수와 연구진이 ‘Ⅲ-V족 반도체’ 소재를 연구하고 있다. 사진 제공=과학기술정보통신부" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202604/01/seouleconomy/20260401173827162tipo.jpg" data-org-width="1200" dmcf-mid="9at7KmQ9C5" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202604/01/seouleconomy/20260401173827162tipo.jpg" width="658">
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 심우영(오른쪽) 연세대 신소재공학과 교수와 연구진이 ‘Ⅲ-V족 반도체’ 소재를 연구하고 있다. 사진 제공=과학기술정보통신부
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 “소재 연구에서 가장 중요한 것은 새로운 원천 기술을 먼저 확보하는 일입니다. 자원과 소재는 산업을 넘어 안보와도 연결됩니다. 그래서 새로운 소재 기술을 개발하고 이를 실제 산업에 쓸 수 있도록 이어주는 기반을 만들어야 합니다.”
 과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단·서울경제신문이 공동 주관하는 ‘대한민국 과학기술인상’ 4월 수상자로 선정된 심우영 연세대 신소재공학과 교수는 자신의 연구 의미를 이렇게 설명했다.
 반도체는 한국 경제를 떠받치는 핵심 기술이다. 하지만 더 빠르고, 더 작고, 전기를 덜 쓰는 반도체를 만들기 위해서는 기존 기술을 조금씩 개선하는 데만 머물러서는 한계가 있다. 결국 완전히 새로운 구조를 찾아야 한다. 심 교수의 연구가 주목받는 이유가 여기에 있다. 그는 자연계에 존재하지 않는 새로운 구조의 ‘Ⅲ-V족 반도체’ 소재를 개발해 우리 반도체 기술의 경쟁력을 높인 공로를 인정받았다.
 Ⅲ-V족 반도체는 주기율표 3족 원소와 5족 원소를 결합해 만든 반도체다. 실리콘처럼 한 가지 원소로만 이뤄진 반도체와 달리 여러 원소를 조합해 전기적 성질을 더 세밀하게 조절할 수 있어 고성능 전자소자에 널리 쓰인다. 다만 기존 Ⅲ-V족 반도체는 전자가 빠르게 움직이는 데는 유리했지만 구조가 너무 촘촘해 이온이 움직일 공간은 거의 없었다. 이 때문에 계산 기능은 뛰어나도 새로운 기능을 함께 구현하는 데 한계가 있었다.
 심 교수는 이 문제를 풀기 위해 1929년에 제시된 ‘폴링의 법칙’을 응용했다. 폴링의 법칙은 원자들이 어떻게 배열돼야 구조가 안정적인지를 설명하는 이론이다. 심 교수는 이 오래된 화학 이론을 반도체에 다시 적용해 구조는 무너지지 않으면서도 층 사이에 아주 작은 틈이 생기는 새로운 구조를 떠올렸다. 다시 말해 기존 반도체보다 덜 빽빽한 구조를 설계해 이온이 움직일 수 있는 길을 만든 것이다.
 그는 연구팀과 함께 일부 원소만 골라 없애는 방법으로 층과 층 사이에 ‘반데르발스 간격’이라는 아주 얇은 틈을 실제로 만들어냈다. 이 틈은 이온이 오갈 수 있는 통로 역할을 한다. 기존 반도체에서는 전자는 움직여도 이온은 거의 움직이지 못했지만 새 구조에서는 이온도 이동할 수 있다. 이온이 움직이면 전기적 상태가 바뀌고 이 변화는 곧 ‘기억’ 기능으로 이어진다.
 연구팀은 계산과학과 실제 합성 실험을 함께 진행해 새로운 Ⅲ-V족 반도체가 반도체 기능과 메모리 기능을 동시에 가질 수 있다는 점을 입증했다. 하나의 소재 안에서 정보를 저장하고 계산까지 함께 할 수 있다는 의미다. 지금의 컴퓨터와 인공지능(AI) 반도체는 계산하는 곳과 저장하는 곳이 따로 떨어져 있어 데이터를 계속 주고받아야 한다. 이 과정에서 많은 전력이 소모된다. 하지만 심 교수의 새 구조는 이런 비효율을 줄일 가능성을 보여줬다. 그래서 차세대 저전력 AI 반도체와 뉴로모픽 컴퓨팅의 핵심 기반 기술로 평가받는다.
 심 교수는 “기존 기술을 조금 개선한 것이 아니라 세계에서 처음으로 새로운 반도체 구조와 소자 개념을 제안했다는 데 의미가 있다”고 설명했다. AI 반도체 경쟁이 치열해지는 상황에서 성능을 조금 높이는 수준을 넘어 전혀 다른 길을 제시한 것이다.
 심 교수는 또한 “소재 기술은 산업 경쟁력은 물론 국가 안보와도 연결된다”고 강조했다. 일본의 수출 규제 사례에서 보듯 핵심 소재를 다른 나라에 의존하면 산업 전체가 흔들릴 수 있다는 것이다. 그래서 새로운 소재를 개발하는 데 그치지 않고 이를 실제 산업에 연결해 쓸 수 있는 기반까지 함께 갖춰야 한다고 보고 있다. 그는 “이번 신소재가 앞으로 AI 반도체 같은 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
 심 교수는 앞으로 자신의 연구를 뇌의 뉴런이 작동하는 원리를 소재와 소자로 구현하는 방향으로 확장해나갈 계획이다. 그는 “기존 뉴로모픽 연구가 뇌의 작동 방식을 모사하는 데 초점을 맞췄다면 우리 연구는 이온의 실제 움직임을 이용해 작동하는 새로운 계산 방식을 제안한다”고 설명했다. 이어 “공상과학처럼 들릴 수도 있지만 궁극적으로는 로봇이 소금물만 공급받아도 인간이 음식을 먹고 움직이듯 스스로 생각하고 작동하는 시스템을 만드는 것이 우리가 그리고 있는 미래”라고 말했다.
 서지혜 기자 wise@sedaily.com
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