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[IT뉴스][한국을 바꿀 10개의 질문] 반도체 성패 가르는 0.1나노 '옹스트롬' 미터의 시대 온다

온카뱅크관리자

2026-01-01 19:37:40

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 일곱번째 질문 옹스트롬(Å) 미터 시대 반도체 기술 대담 = 심윤희 논설위원 
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 <img alt="이철호 서울대 전기정보공학부 교수, 신창환 고려대 전기전자공학부 교수와 심윤희 매일경제 논설위원(왼쪽부터)이 서울 중구 매경미디어센터에서 '옹스트롬 시대 반도체 기술'을 주제로 대담하고 있다. 한주형 기자" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202601/01/mk/20260101193005773arwr.jpg" data-org-width="1000" dmcf-mid="uR3WPbHlTn" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202601/01/mk/20260101193005773arwr.jpg" width="658">
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 이철호 서울대 전기정보공학부 교수, 신창환 고려대 전기전자공학부 교수와 심윤희 매일경제 논설위원(왼쪽부터)이 서울 중구 매경미디어센터에서 '옹스트롬 시대 반도체 기술'을 주제로 대담하고 있다. 한주형 기자
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 지난 70년간 반도체의 역사는 트랜지스터 크기를 줄여온 '스케일링 다운(Scaling down)' 과정이라고 해도 과언이 아니다. 동일 면적에 더 많은 트랜지스터를 넣어 집적도를 높여야 성능이 향상되고, 전력 소비와 비용도 줄일 수 있기 때문이다.
 현재 반도체 공정기술을 설명할 때 사용하는 단위는 나노미터(㎚)다. '난쟁이'를 뜻하는 그리스어 '나노스(Nanos)'에서 유래했다. 1㎚는 10억분의 1ｍ로, 머리카락 굵기 10만분의 1 크기. 우리가 흔히 말하는 '22나노' '16나노' '3나노' 등은 반도체 칩에 새겨지는 회로 선폭의 길이를 의미한다. 
 회로를 얼마나 가늘게 구현할 수 있느냐는 반도체 경쟁의 핵심이자 기술력의 척도가 돼왔다. 실제로 반도체 공정기술은 2003년 인텔이 65나노 양산에 처음 성공한 이후 45나노, 32나노, 22나노 등으로 이어졌고, 현재 3나노 공정 기술까지 완성됐다. 이를 넘어 삼성전자와 TSMC, 인텔은 1.4나노 경쟁을 벌이고 있다.
 한 자릿수 나노 크기 공정에 도달하면서 반도체 산업의 패러다임은 이제 나노를 넘어 새로운 단위로 진입하고 있다. 바로 '옹스트롬(Å) 시대'다. 1옹스트롬은 0.1㎚로, 원자 크기에 가까운 초미세 단위다. 하지만 옹스트롬급 반도체 기술로 넘어가기 위해서는 기존 소자와 소재의 물리적 한계를 뛰어넘는 혁신이 요구된다. 신창환 고려대 전기전자공학부 교수, 이철호 서울대 전기정보공학부 교수를 만나 옹스트롬급 반도체 기술이란 무엇이며, 현재 산업은 어떤 기술적 난관에 직면해 있는지 들어봤다.
 -반도체 기술이 옹스트롬급으로 가야 하는 이유가 뭔가.
 신창환 교수=디지털 전환과 인공지능(AI) 시대에는 막대한 연산능력이 필수다. 우리 속담에 '작은 고추가 맵다'는 말이 있다. 반도체도 칩에 들어가는 부품 크기를 줄이면 집적도가 높아지고 성능이 좋아진다. 옹스트롬급 반도체는 전력 소비를 10분의 1로 줄이면서도 성능은 10배 향상시킬 수 있어, 고성능과 탄소중립을 동시에 달성할 수 있다. 특히 에지 AI, 자율주행, 메타버스 등 미래 산업은 초고속·초저전력 칩 없이는 구현이 불가능하다. 양자컴퓨팅, 뉴로모픽 칩 등 차세대 컴퓨팅도 옹스트롬급 기술이 전제돼야 실현 가능하다.
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 -옹스트롬급 구현을 위해 트랜지스터 구조는 어떻게 진화해왔나.
 이철호 교수=평면이었던 모스펫(MOSFET) 트랜지스터 구조는 이제 3차원으로 발전했다. 22나노 공정에 물고기 지느러미 모양의 3차원 '핀펫(FinFET)' 구조가 채택됐고, 3나노 공정에서는 동작 전압을 낮출 수 있는 '게이트 올 어라운드(GAA)' 구조로 진화했다. 이 과정에서 전자가 이동하는 길인 채널 두께는 점점 얇아졌지만, 스케일링은 이제 물리적 한계에 도달한 상황이다.
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 -스케일링의 한계를 넘으려면 어떤 기술 혁신이 필요한가.
 신 교수=셀을 위로 쌓는 '스태킹'으로 갈 수밖에 없다. 지금은 웨이퍼의 표면만 사용하는데, 기업들은 이제 웨이퍼 후면까지 활용하는 방법을 고민하기 시작했다. 양면 피자를 만드는 것처럼, 전력공급선과 신호선을 후면으로 분리하면 전면은 오직 트랜지스터만을 위한 공간이 돼 집적도를 20~30% 향상시킬 수 있다. 이를 구현하면 열 방출이 용이해져 성능이 개선되고, 더 빠른 데이터 처리가 가능하다. 
 이것이 시사하는 바는 '3D칩 시대의 개막'이다. 현재는 고대역폭메모리(HBM)처럼 동종 칩들을 쌓아 올리는 패키징 기술에 집중하고 있지만, 그래픽처리장치(GPU)에 HBM을 쌓는 등 이종의 칩들이 적층되는 '어드밴스트 패키징 기술' 경쟁이 가속화될 것이다. 최대 난관은 원자 수준의 정밀도 구현과 양자 터널링 제어, 1㎚ 이하에서의 누설 전류 차단이다.
 -현재 사용되는 실리콘 소재는 어떻게 혁신할 수 있나.
 이 교수=트랜지스터 동작의 근간이 되는 MOS(금속·산화물·반도체) 구조에서 게이트 유전체는 실리콘 다이옥사이드에서 고유전체 산화물로, 전극은 폴리실리콘에서 금속으로 바뀌었지만, 반도체 채널만은 실리콘을 계속 사용하고 있다. 그러나 3차원 물질인 실리콘은 원자 수준으로 두께를 더 얇게 하다 보면 원자 간 결합이 끊어져 물질 본연의 특성을 유지할 수 없게 된다. 이런 한계를 극복하려면 실리콘을 대체할 '2차원 반도체' 물질을 찾아야 한다. 그래핀, 전이금속 칼코겐 결합물과 같은 반도체 특성을 가진 물질이 다수 있고, 이에 관한 연구가 활발히 진행 중이다.
 -2차원 반도체가 실리콘을 대체하려면 어떤 과제를 해결해야 하나.
 이 교수=첫째, 옹스트롬 두께의 새로운 물질을 지름 300㎜ 웨이퍼 크기의 박막으로 제작할 수 있느냐가 관건이다. 원자 크기 물질을 수백 ㎜ 크기로 균일하게 제작하는 것 자체가 기술적으로 매우 어렵다. 둘째, 2차원 반도체로 구동 전압이 낮은 저전력 트랜지스터 소자를 만드는 것도 과제다. 셋째, 새로운 물질들을 CMOS(상보성 금속·산화물·반도체) 플랫폼 위에 수직으로 3차원 집적해 메모리와 로직 등 다양한 기능을 통합한 시스템으로 만들 수 있는지도 풀어야 할 과제다.
 옹스트롬(Å)·2차원 반도체
 ▷옹스트롬(Å)은 나노미터의 10분의 1크기로, 100억분의 1m. 머리카락 굵기의 100만분의 1에 해당한다. 원자 하나의 지름과 그 척도가 비슷하며, 초미세 반도체 공정을 설명할 때 사용되는 단위다. 
 ▷2차원 반도체는 원자 몇 개 층으로 이뤄진 초박막형 물질로, 기존 실리콘 반도체를 대체할 수 있는 차세대 소재로 꼽힌다.
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