성균관대 송승욱 교수팀, 차세대 양자·AI 반도체 소재 ‘인듐 셀레나이드’ 로드맵 제시

성균관대학교(총장 유지범)는 에너지과학과 송승욱 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS) 및 미국 펜실베이니아대, 미국 공군연구소 등 국제 공동 연구진과 함께 차세대 저전력·양자 컴퓨팅을 위한 핵심 소재인 ‘2차원 인듐 셀레나이드(Indium Selenides)’의 기술적 로드맵을 제시했다고 밝혔다.

이번 연구는 기존 실리콘 반도체가 직면한 물리적 한계를 뛰어넘을 대안으로 주목받는 2차원 양자 반도체의 물성과 소자 응용 가능성을 종합적으로 분석한 것으로, 향후 초저전력 인공지능(AI) 반도체와 차세대 메모리 기술 발전에 중요한 이정표가 될 것으로 평가받는다. 해당 논문은 전기·전자공학 분야의 세계 최고 권위 리뷰 저널인 ‘Nature Reviews Electrical Engineering’에 게재되어 그 학술적 가치를 인정받았다.

현재 우리가 사용하는 실리콘 반도체는 소자가 수 나노미터(nm) 수준으로 미세해지면서 전력 소모 급증, 발열, 누설 전류와 같은 난제에 부딪혀 있다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 종이처럼 얇은 원자 층 두께의 ‘인듐 셀레나이드’에 주목했다. 이 소재는 전자가 장애물에 걸리지 않고 빠르게 이동하는 ‘탄도형 수송’ 특성이 뛰어나며, 전자의 유효질량이 매우 작아 적은 에너지로도 고속 동작이 가능하다. 또한, 원자 배열에 따라 전기적 성질을 스스로 기억하는 ‘강유전체’ 특성을 동시에 갖추고 있어 차세대 반도체 소재로서 완벽한 조건을 갖추고 있다.

특히 이번 논문은 인듐 셀레나이드가 연산(논리)과 저장(메모리) 기능을 하나의 소재에서 동시에 수행할 수 있다는 점을 강조했다. 이는 데이터의 연산과 저장이 분리되어 에너지가 낭비되던 기존의 ‘폰 노이만’ 구조를 탈피해, 데이터 이동 경로를 획기적으로 줄이는 ‘인메모리 컴퓨팅’ 구현이 가능함을 시사한다. 이를 통해 초미세 양자 트랜지스터부터 비휘발성 메모리까지 확장 가능한 구체적인 기술 경로를 제시했다.

나아가 연구팀은 대면적 합성 기술과 산화 안정성 확보 등 실제 산업 현장에 적용하기 위해 해결해야 할 과제들도 함께 다루었다. 이러한 기술적 난제들이 해결될 경우, 인듐 셀레나이드 기반 소자는 양자 컴퓨터의 보조 장치나 초저전력 AI 반도체 분야에서 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다.

성균관대 송승욱 교수는 “이번 연구는 인듐 셀레나이드라는 양자 반도체가 단순한 신소재를 넘어 새로운 컴퓨팅 패러다임을 제시했다는 데 의미가 있다”며 “향후 양자 정보 기술과 저전력 반도체 기술을 잇는 핵심 플랫폼으로 발전할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 2차원 양자 헤테로구조체 연구단을 포함한 국내외 연구진의 긴밀한 협력으로 거둔 결실로 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구 우수신진연구지원 사업은 물론, 미국의 국립과학재단(NSF), 해군연구청(ONR), 공군연구청(AFOSR) 등 한미 양국 정부 기관의 전폭적인 연구비 지원을 통해 수행됐다.

※ 논문명: Indium selenides for next-generation low-power computing devices

※ 학술지: Nature Reviews Electrical Engineering

※ 저자명: 송승욱(제1저자 및 교신저자), Nicholas Glavin(공동 교신저자), Deep Jariwala(공동 교신저자), Michael Altvater(공동저자), 이원찬(공동저자), 신현석(공동저자)

※ 논문링크: https://www.nature.com/articles/s44287-025-00251-w

(왼쪽부터)성균관대 송승욱 교수, 이원찬 석박통합과정생, IBS 신현석 단장 및 미국 펜실베니아대 딥 자이왈라(Deep Jariwala) 교수