포스텍, AI 시대 전력난 해결 열쇠 찾았다

- 빛 기반 입자 활용, 전력난 해결할 물리 현상 세계 최초 발견

- 데이터센터 전력 폭증·반도체 발열 문제 활용 기대

연구진 사진. 왼쪽 위 박경덕 교수, 아래 왼쪽부터 문태영 통합과정, 이형우 박사. (자료제공: 포스텍)

2차원 반도체 엑시톤 흐름 증폭 현상 이미지. (자료제공: 포스텍)

국내 연구진이 인공지능(AI) 시대의 최대 걸림돌로 꼽히는 ‘전력 폭증’과 ‘발열’ 문제를 해결할 획기적인 실마리를 제시했다.

포스텍(POSTECH, 총장 김성근)은 물리학과·반도체공학과 박경덕 교수 연구팀이 2차원 반도체의 ‘엑시톤(exciton)’ 이동을 나노미터 단위에서 정밀하게 제어하고 이를 기존 대비 최대 8300%까지 증폭시키는 새로운 물리 현상을 발견했다고 4월 3일 밝혔다. 

현재의 반도체는 전자의 흐름을 이용해 정보를 전달한다. 하지만 전자가 이동할 때 발생하는 열은 에너지 손실과 성능 저하를 야기하며 이는 곧 AI 데이터센터의 막대한 전력 소비 문제로 이어진다. 실제로 AI 데이터센터는 도시 하나에 맞먹는 전력을 소비할 정도로 에너지 문제가 심화하고 있다.

대안으로 주목받는 ‘엑시톤’은 반도체 내부에서 빛과 전자의 성질이 결합된 입자다. 전기적으로 중성이어서 이동 시 열이 거의 발생하지 않아 초저전력 정보 전달 매개체로 기대를 모아왔다. 그러나 그동안은 제어가 까다로워 실제 소자에 응용하는 데 한계가 있었다.

박경덕 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 빛과 전기를 나노미터 수준에서 자유롭게 다룰 수 있는 새로운 방식의 나노 공진 분광 기술을 개발했다. 이를 통해 빛과 전기장이 최첨단 반도체 공정의 최소 선폭 정도의 초미세 공간에 모이도록 했다. 반도체 내부의 ‘에너지 지형’을 나노 공간에서 정밀하게 제어하고 동시에 관측할 수 있게 된 것이다.

이 과정에서 연구팀은 특정 영역에 밀집된 엑시톤들이 서로를 밀어내며 폭발적으로 퍼져나가는 현상을 확인했다. 특히 이 확산 정도가 엑시톤의 양이 아닌 ‘밀도 기울기’에 의해 결정된다는 사실을 규명하며 확산 효율을 끌어올리는 데 성공했다.

무엇보다 이 기술은 전압만으로 실시간 제어가 가능하다. 마치 스위치를 켜고 끄듯 엑시톤의 이동 방향과 세기를 자유롭게 조절할 수 있어 향후 전자 회로를 대체할 ‘엑시톤 회로’ 구현의 발판을 마련한 것으로 평가받는다.

박경덕 교수는 “이번 성과는 기초물리 연구가 산업기술로 적용될 수 있음을 보여준 사례”라며 “저전력 AI 반도체와 신개념 광소자 융합 기술로 확장될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단, 삼성미래기술육성재단의 지속적인 기초연구 지원을 통해 수행됐다, 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 지난달 31일(현지 시간) 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]