세계 최초 2D 컴퓨터에서 실리콘을 대체하는 원자 두께 기술

2차원 분자 기반 컴퓨터의 이 개념적 그림은 펜실베이니아 주립대 연구팀이 제작한 컴퓨터의 실제 주사 전자 현미경 이미지를 보여줍니다. 키보드에는 이황화 몰리브덴과 이셀레나이드 텅스텐의 약어가 표시된 강조된 키가 있는데, 이는 컴퓨터의 트랜지스터 개발에 사용된 두 가지 2차원 재료를 나타냅니다. 출처: Krishnendu Mukhopadhyay/펜실베이니아 주립대, ScienceDaily.com 편집

펜실베이니아주 유니버시티 파크 — 스마트폰, 컴퓨터, 전기 자동차 등을 뒷받침하는 반도체 기술의 핵심 소재인 실리콘이 그 자리를 위협받고 있다고 펜실베이니아 주립대 연구진이 이끄는 연구팀이 밝혔습니다. 세계 최초로 2차원(2D) 소재를 사용하여 간단한 연산이 가능한 컴퓨터를 개발했습니다. 2차원 소재는 실리콘과 달리 원자 두께에 불과하며, 그 크기에서도 특성을 유지합니다.

오늘(6월 11일) 네이처(Nature )에 발표된 이 개발은 더 얇고, 더 빠르며, 더 에너지 효율적인 전자 기기 구현을 향한 중요한 도약을 의미한다고 연구진은 밝혔습니다. 연구진은 실리콘에 의존하지 않고 거의 모든 현대 전자 기기의 핵심 기술인 상보형 금속산화물 반도체(CMOS) 컴퓨터를 개발했습니다. CMOS 컴퓨터의 전류 흐름을 제어하는 ​​데 필요한 두 가지 유형의 트랜지스터를 개발하기 위해 두 가지 서로 다른 2D 소재를 사용했습니다. n형 트랜지스터에는 이황화몰리브덴을, p형 트랜지스터에는 이셀레나이드텅스를 사용했습니다.

"실리콘은 수십 년 동안 전계 효과 트랜지스터(FET)의 지속적인 소형화를 가능하게 함으로써 전자 분야의 놀라운 발전을 이끌어 왔습니다."라고 이 연구를 이끈 펜실베이니아 주립대학교 공학과 애클리 교수이자 공학 및 기계학과 교수인 삽타르시 다스는 말했습니다 . FET는 전압이 인가될 때 생성되는 전기장을 이용하여 전류 흐름을 제어합니다. "하지만 실리콘 소자가 작아짐에 따라 성능이 저하되기 시작합니다. 이와 대조적으로 2차원 소재는 원자 두께에서도 뛰어난 전자적 특성을 유지하여 유망한 미래 방향을 제시합니다."

다스는 CMOS 기술이 저전력으로 고성능을 구현하기 위해서는 n형 반도체와 p형 반도체가 함께 작동해야 한다고 설명했습니다. 이는 실리콘 기반 기술을 넘어서는 기술 개발을 가로막는 핵심 과제였습니다. 다스는 이전 연구에서 2D 소재를 기반으로 한 소형 회로가 개발되었지만, 복잡하고 기능적인 컴퓨터로 확장하는 것은 여전히 ​​어려웠다고 말했습니다.

"이것이 우리 연구의 핵심 진전입니다."라고 Das는 말했습니다. "대면적으로 성장된 이황화몰리브덴과 이셀레나이드 텅스텐 트랜지스터를 결합한, 전적으로 2D 소재로 제작된 CMOS 컴퓨터를 최초로 시연했습니다."

연구팀은 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)을 이용하여 이황화몰리브덴과 이셀레나이드 텅스텐으로 이루어진 대형 시트를 성장시키고 각 유형의 트랜지스터를 1,000개 이상 제작했습니다. 소자 제작 및 후처리 단계를 세심하게 조정함으로써 n형 및 p형 트랜지스터의 문턱 전압을 조절하여 완벽하게 작동하는 CMOS 논리 회로를 구축할 수 있었습니다.

"저희의 2D CMOS 컴퓨터는 최소한의 전력 소모로 낮은 공급 전압에서 작동하며 최대 25킬로헤르츠의 주파수에서 간단한 논리 연산을 수행할 수 있습니다."라고 Das의 지도를 받아 공학과 기계학 학위를 취득 중인 박사과정 학생이자 논문의 첫 번째 저자인 수비르 고쉬가 말했습니다.

고쉬는 기존의 실리콘 CMOS 회로에 비해 동작 주파수가 낮지만, 단일 명령어 세트 컴퓨터로 알려진 그들의 컴퓨터는 여전히 간단한 논리 연산을 수행할 수 있다고 언급했습니다.

고쉬는 "실험 데이터를 사용하여 보정하고 장치 간 차이를 반영한 ​​계산 모델을 개발하여 2D CMOS 컴퓨터의 성능을 예측하고 최첨단 실리콘 기술과 비교 평가했습니다."라고 말했습니다. "향후 최적화의 여지가 남아 있지만, 이 연구는 2D 재료를 활용하여 전자 분야를 발전시키는 데 있어 중요한 이정표입니다."

다스는 이에 동의하며, 2D CMOS 컴퓨터 접근 방식을 광범위하게 활용하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다고 설명했지만, 실리콘 기술의 발전에 비해 이 분야가 매우 빠르게 발전하고 있다는 점도 강조했습니다.

"실리콘 기술은 약 80년 동안 개발되어 왔지만, 2차원 소재 연구는 비교적 최근의 일로, 2010년경에야 본격적으로 시작되었습니다."라고 Das는 말했습니다. "2차원 소재 컴퓨터 개발 또한 점진적인 과정을 거칠 것으로 예상되지만, 이는 실리콘 기술의 발전 방향과 비교하면 매우 큰 도약입니다."

Ghosh와 Das는 Penn State의  2D Crystal Consortium Materials Innovation Platform (2DCC-MIP)이 그들의 접근 방식을 보여주는 데 필요한 시설과 도구를 제공한 공로를 인정했습니다. Das는 또한 Penn State의 재료 연구소 , 2DCC-MIP 및 전기 공학과와 재료 과학 및 공학과에 소속되어 있습니다. Penn State 공학 과학 및 역학과의 다른 기여자로는 대학원생 Yikai Zheng, Najam U. Sakib, Harikrishnan Ravichandran, Yongwen Sun, Andrew L. Pannone, Muhtasim Ul Karim Sadaf 및 Samriddha Ray와 조교수 Yang Yang이 있습니다. Yang은 또한 Penn State의 재료 연구소와 Ken and Mary Alice Lindquist 핵 공학과에 소속되어 있습니다. 2DCC-MIP의 이사이자 재료 과학 및 공학과 전기 공학의 저명한 교수인 Joan Redwing과 조교수 Chen Chen도 이 논문의 공동 저자입니다. 다른 기여자로는 인도 공과대학의 Musaib Rafiq 및 Subham Sahay; Jadavpur 대학교 Mrinmoy Goswami.

미국 국립과학재단, 육군연구소, 해군연구소가 이 연구를 일부 지원했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250612031705.htm