빛의 혁신…엑시톤 확산 8300% 증폭 최초 발견

전자 한계 넘는 차세대 저전력 AI 반도체 핵심 원리 규명

[포항=뉴시스] = 포스텍 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수 연구팀이 2차원 반도체의 '엑시톤(exciton)' 이동을 나노미터(10억분의 1m) 공간에서 정밀하게 제어해 애초보다 최대 8300%까지 증폭 시키는 새로운 물리 현상을 세계 최초로 발견했다. 사진 위 박경덕 교수와 문태영(왼쪽 아래) 통합과정, 이형우 박사. (사진=포스텍 제공) 2026.04.03. photo@newsis.com

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 기초 과학 연구가 인공지능(AI) 시대의 가장 어려운 문제의 하나인 전력 문제 해결의 실마리를 제시했다.

포스텍은 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수 연구팀이 2차원 반도체의 '엑시톤(exciton)' 이동을 나노미터(10억분의 1m) 공간에서 정밀하게 제어해 애초와 비교해 최대 8300%까지 증폭 시키는 새로운 물리 현상을 세계 최초로 발견했다고 3일 밝혔다.

이번 연구는 국제 학술지 '네이처 머티리얼즈'에 지난달 31일(현지 시각) 게재됐다.

현재 반도체는 전자의 흐름을 이용해 정보를 전달해 전자가 이동할수록 필연적으로 열이 발생하고, 이는 곧 에너지 손실과 성능 저하로 이어진다.

실제로 AI 데이터 센터는 도시 하나에 맞먹는 전력을 소비할 정도로 에너지 문제가 심각하고, 이러한 한계를 극복할 대안으로 주목 받는 것이 바로 '엑시톤'이다.

엑시톤은 반도체 내부에서 빛과 전자의 성질이 결합된 입자로, 전기적으로 중성이기 때문에 이동 과정에서 열 발생이 거의 없어 차세대 초저전력 정보 전달 매개체로 주목 받고 있으나 엑시톤을 원하는 방식으로 정밀하게 제어하는 것이 매우 어려워 실제 소자 응용에 큰 제약이 있었다.

[포항=뉴시스] = 포스텍 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 박경덕 교수 연구팀이 2차원 반도체의 '엑시톤(exciton)' 이동을 나노미터(10억분의 1m) 공간에서 정밀하게 제어해 애초보다 최대 8300%까지 증폭 시키는 새로운 물리 현상을 세계 최초로 발견했다. 사진은 2차원 반도체 위에 초미세 금속 팁을 정밀하게 배치해 엑시톤 흐름 증폭 현상이 가능함을 묘사한 그림. (사진=포스텍 제공) 2026.04.03. photo@newsis.com

박경덕 교수 연구팀이 빛과 전기를 나노미터 수준에서 자유롭게 다룰 수 있는 새로운 방식의 나노 공진 분광 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면 빛과 전기장이 최첨단 반도체 공정의 최소 선폭 정도의 초미세 공간에 모이며 반도체 내부의 '에너지 지형'을 나노 공간에서 정밀하게 제어하고 동시에 관측할 수 있다.

연구팀의 이형우 박사는 이 방법으로 특정 영역에 엑시톤을 집중시켰고, 그 과정에서 기존 이론과는 다른 흥미로운 현상을 발견했다. 좁은 공간에 모인 엑시톤이 서로 밀어내며, 오히려 더 빠르고 강하게 바깥으로 퍼져나간 것.

연구팀은 이 현상이 단순히 엑시톤의 개수가 많아서가 아니라, 엑시톤이 얼마나 가파르게 몰려 있는지를 나타내는 ‘밀도 기울기’에 의해 결정된다는 사실을 밝혀냈다. 이를 통해 애초의 방식보다 최대 8300%에 달하는 엑시톤 확산 증폭 효과를 입증했다.

이번 연구는 차세대 반도체뿐 아니라 다양한 산업 분야로의 확장 가능성도 제시한다. AI 데이터 센터의 초저전력 인터커넥트, 고효율 광전자 소자, 차세대 태양전지 등에서 엑시톤 흐름을 정밀하게 제어하는 기술은 핵심적인 역할을 할 것으로 기대한다.

박경덕 교수는 "이번 성과는 기초 물리 연구를 통해 산업 기술 적용의 가능성을 구체적으로 보여준 사례"라며 "기초 과학에 대한 장기적인 투자와 신뢰가 있었기에 가능했으며, 향후 저전력 AI 반도체와 신개념 광소자 융합 기술로 확장될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 그리고 삼성미래기술육성재단의 기초 연구 지원을 통해 수행했다.