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[IT뉴스][T나는 과학] "고층 아파트 짓듯 튼튼하게"…KAIST, '산소 터널'로 AI 반도체 한계 넘었다

온카뱅크관리자

2026-08-20 15:27:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div>  <strong class="summary_view" data-translation="true">보도기사</strong> 
        <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> 
         <section dmcf-sid="1nnASXMVzW">
          <p contents-hash="7a85ca43aede85bfde18137081a7963ef7a05460e15501cf097abe4cd18e7de7" dmcf-pid="tLLcvZRf3y" dmcf-ptype="general">AI 연산 한계 돌파하는 '3차원 반도체'의 새로운 가능성 제시<br>"AI 성능 높이고 전력은 낮춘다" KAIST, 신개념 다층 절연막 구조 개발</p>
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="7106c73c4f74c8d0ac828c27a260e5d5fad51cb1ace2748f3fd59d1ee47232b8" dmcf-pid="FhhY7VrN7T" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="Advanced Functional Materials 논문 표지로 선정된 연구 이미지" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/551724-22lyJQR/20260820152257344htwk.jpg" data-org-width="303" dmcf-mid="Xm2QjmztUH" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/551724-22lyJQR/20260820152257344htwk.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            Advanced Functional Materials 논문 표지로 선정된 연구 이미지
           </figcaption>
          </figure>
          <p contents-hash="e4bbcbbe4c29598f732118f2de66b1e036427b2843effe6fc9397c4bae98a7f1" dmcf-pid="3llGzfmj3v" dmcf-ptype="general"><br>인공지능(AI) 기술이 폭발적으로 성장하면서 어마어마한 양의 데이터를 빠르고 효율적으로 처리할 수 있는 고성능 메모리의 필요성이 날로 커지고 있습니다. 하지만 기존처럼 반도체 소자를 평면상에서 계속 작게 만드는 방식은 물리적 한계에 봉착했습니다. </p>
          <p contents-hash="c0d0a20bde6e47d4f78acc893a5d3f00269485cd4d3b12380e1f18ed9223b9d0" dmcf-pid="0SSHq4sAzS" dmcf-ptype="general">이에 따라 소자를 옆이 아닌 위로 층층이 쌓아 올리는 3차원 구조가 차세대 대안으로 주목받고 있습니다.</p>
          <div contents-hash="b0248cb4583f72566693e937bbaac701eef9f3ad01dbd8d00242656bd505abea" dmcf-pid="pvvXB8Ocul" dmcf-ptype="general">
           최근 KAIST 전기및전자공학부 권지민 교수 연구팀은 UNIST, 연세대학교 등 국내 공동 연구진과 함께 차세대 메모리 소자인 '산화물 수직 채널 트랜지스터(VCT)'의 치명적인 약점을 극복하고 성능과 안정성을 극대화할 새로운 다층 층간 절연막 구조를 개발했습니다. 이번 연구 성과는 재료과학 분야의 세계적인 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 5월 20일 자에 게재되었으며, 학술적 독창성과 중요성을 인정받아 표지 논문으로 선정되었습니다.
          </div>
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="d5352bf4af3a35841aee64f6f6eac24cad80be4c63b2b336be1b3e8ea83bc20f" dmcf-pid="UTTZb6Ikuh" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="이번 연구 성과에 대한 설명 모식도(AI 생성 이미지)" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/551724-22lyJQR/20260820152257501owjn.jpg" data-org-width="1000" dmcf-mid="ZMJNhGQ9zG" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/551724-22lyJQR/20260820152257501owjn.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            이번 연구 성과에 대한 설명 모식도(AI 생성 이미지)
           </figcaption>
          </figure>
          <div contents-hash="d1fb6795939bb852f4e42f8b3ebfb2348af0c25feb52e1c3e6843386ff3bda19" dmcf-pid="uyy5KPCE0C" dmcf-ptype="general">
           <div>
            <br>◆ 전력 소모 줄이고 집적도 높이는 '수직 채널 트랜지스터(VCT)'
            <br>
            <br>컴퓨터의 주기억장치인 DRAM은 작업 중인 데이터를 임시로 저장해 빠르게 꺼내 쓰는 핵심 메모리입니다. 수십 년간 반도체 크기를 줄여 성능을 높여왔으나 한계에 이르면서, 좁은 땅에 단층 주택 대신 고층 아파트를 짓는 것과 같은 3차원 적층 구조가 대안으로 떠올랐습니다.
            <br>
            <br>이 구조의 핵심 기술 중 하나가 바로 수직 채널 트랜지스터(VCT)입니다. 전류가 흐르는 길인 채널을 수평이 아닌 수직 방향으로 만들어 제한된 면적에도 수많은 소자를 배치할 수 있습니다. 여기에 채널 소재로 산화물 반도체를 적용하면 전류 누설을 크게 줄여 저전력 차세대 메모리를 구현하는 데 매우 유리해집니다.
           </div>
          </div>
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="3592b4b552a7a7499f3d5298fa43777d4cafbe2be67a6a9e1071d782422b0df0" dmcf-pid="7WW19QhDFI" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="산소터널(Oxygen Tunnel) 구조를 적용한 산화물 수직채널트랜지스터" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/551724-22lyJQR/20260820152257658scvx.jpg" data-org-width="800" dmcf-mid="5bb8gDUZ0Y" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/551724-22lyJQR/20260820152257658scvx.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            산소터널(Oxygen Tunnel) 구조를 적용한 산화물 수직채널트랜지스터
           </figcaption>
          </figure>
          <div contents-hash="016ecb9ccf5e1fc946812bfc21483452279bb8bf386c7a0e2754947499769b91" dmcf-pid="zYYt2xlwzO" dmcf-ptype="general">
           <div>
            <br>◆ '산소 터널' 기술로 결함과 성능 저하 동시 해결
            <br>
            <br>하지만 산화물 반도체에는 '산소 공공(Oxygen Vacancy)'이라는 고질적인 문제가 있었습니다. 벽돌담에서 벽돌 몇 장이 빠진 것처럼 산소 원자가 비어 있는 자리가 많아지면 반도체 특성이 불안정해집니다. 그렇다고 무작정 산소를 공급하면 금속 전극까지 산화되어 오히려 소자 성능이 떨어지므로, 산소의 이동을 정밀하게 제어하는 기술이 필수적이었습니다.
            <br>
            <br>연구팀은 질화규소/이산화규소/질화규소(SiN/SiO2/SiN)로 구성된 새로운 다층 층간 절연막을 개발해 이 문제를 해결했습니다. 아파트의 층과 층 사이를 나누는 바닥처럼 소자 내부를 전기적으로 분리하는 동시에, 산소가 필요한 산화물 반도체 쪽으로는 이동시키고 전극 쪽으로는 확산을 막는 '산소 터널'로 활용한 것입니다.
            <br>
            <br>그 결과, 산화물 반도체 내부의 빈자리를 안정적으로 채우면서 전극의 불필요한 산화를 억제하여 세계 최고 수준의 전류 흐름과 648초 이상의 데이터 유지 시간을 달성했습니다. 또 1,000만 회 이상의 반복 동작 스트레스에도 문턱전압 변화가 50밀리볼트 이하에 그쳐 뛰어난 내구성과 동작 안정성을 증명했습니다.
            <br>
            <br>◆ AI 시대 혁신 기술 '컴퓨트 인 메모리(CIM)' 구현 앞당길까
            <br>
            <br>연구팀은 한 걸음 더 나아가 기존 실리콘 기반 CMOS 반도체와 새로운 산화물 반도체를 3차원으로 결합하는 하이브리드 구조를 구현하고 시스템 성능을 평가했습니다. 시뮬레이션 결과, 기존 CMOS 기반 eDRAM 대비 약 45배 향상된 데이터 유지 시간과 38% 감소한 셀 면적을 달성할 수 있음을 확인했습니다.
            <br>
            <br>이 기술은 향후 데이터 저장과 연산을 동시에 수행하는 차세대 반도체 기술인 '컴퓨트 인 메모리(Compute-in-Memory, CIM)'의 성능을 대폭 끌어올릴 것으로 기대됩니다. 주방에서 재료를 멀리 떨어진 조리실로 옮기지 않고 바로 요리하듯, AI가 대규모 데이터를 이동 과정의 지연과 전력 소모 없이 훨씬 빠르고 효율적으로 처리할 수 있는 길이 열린 셈입니다.
            <br>
            <br>권지민 교수는 "고층 건물을 높이 지으려면 층수를 늘리는 것만큼 건물을 안정적으로 만드는 것이 중요하듯, 3차원 반도체도 많이 쌓으면서 안정적으로 작동하게 만드는 것이 핵심"이라며 "이번 기술은 AI 연산 속도를 높이면서 전력 소모는 줄이는 차세대 메모리 반도체 개발을 앞당길 것으로 기대된다"고 밝혔습니다.
           </div>
          </div>
          <p contents-hash="99c327f3402ec6c49147af540680034748c6ef5acddd374fe0ff98831853f071" dmcf-pid="qvt7QnGh0s" dmcf-ptype="general">(사진=KAIST) </p>
          <p contents-hash="87394716a25bb822b035d0d7f069bd9fba9963d019f49c10d9f78691e84abd06" dmcf-pid="BTFzxLHlUm" dmcf-ptype="general">조형준 취재 기자 | brotherjun@tjb.co.kr</p>
         </section> 
        </div> 
        <p class="" data-translation="true">Copyright © TJB </p>

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