AI 전력난 게임 체인저될까…반도체 '엑시톤 ' 83배 증폭 첫 발견

인공지능(AI) 데이터 센터 난제인 전력 문제를 해결할 실마리가 제시했다. POSTECH(포항공과대학교)은 박경덕 물리학과·반도체공학과·융합대학원·반도체대학원 교수 연구팀이 2차원 반도체 '엑시톤(exciton)' 이동을 나노미터(10억분의 1m) 공간에서 정밀 제어하고, 이를 기존 대비 최대 8,300%까지 증폭시키는 물리 현상을 세계 처음 발견했다고 3일 밝혔다. 반도체는 전자 흐름을 이용해 정보를 전달한다. 하지만 전자가 이동할수록 열이 발생하고, 이는 곧 에너지 손실과 성능 저하로 이어진다. 실제 AI 데이터센터는 도시 하나에 맞먹는 전력을 소비할 정도로 에너지 문제가 심각하다. 이러한 한계를 극복할 대안으로 주목받는 것이 바로 '엑시톤'이다. 엑시톤은 반도체 내부에서 빛과 전자 성질이 결합된 입자다. 전기적으로 중성이기 때문에 이동 과정에서 열 발생이 거의 없다. 이 때문에 차세대 초저전력 정보 전달 매개체로 주목받고 있다. 그러나 엑시톤은 원하는 방식으로 정밀하게 제어하는 것이 매우 어려워 실제 소자 응용에 제약이 많았다. 연구팀은 이를 빛과 전기를 나노미터 수준에서 자유롭게 다룰 수 있는 새로운 방식의 나노 공진 분광 기술을 개발, 해결했다. 이 기술을 이용하면 빛과 전기장이 최첨단 반도체 공정의 최소 선폭 정도의 초미세 공간에 모이면서, 반도체 내부 '에너지 지형'을 나노 공간에서 정밀하게 제어하고 동시에 관측할 수 있다. 연구를 주도한 이형우 박사는 "이 방법으로 특정 영역에 엑시톤을 집중시켰고, 그 과정에서 기존 이론과는 다른 흥미로운 현상을 발견했다"며 "좁은 공간에 모인 엑시톤들이 서로 밀어내며, 오히려 더 빠르고 강하게 바깥으로 퍼져나가는 것을 확이했다"고 설명했다. 연구팀은 이 현상이 단순히 엑시톤 개수가 많아서가 아니라, 엑시톤이 얼마나 가파르게 몰려 있는지를 나타내는 '밀도 기울기'에 의해 결정된다는 사실을 밝혀냈다. 이를 통해 기존 방식 대비 최대 8,300%에 달하는 엑시톤 확산 증폭 효과를 입증했다. 또한 이 현상은 전압만으로 실시간 제어가 가능하다는 것도 확인했다. 스위치를 켜고 끄듯, 전압을 조절하는 것만으로 엑시톤 이동 방향과 세기를 자유롭게 바꿀 수 있어, 향후 반도체 칩 내부에서 정보를 빠르고 효율적으로 전달하는 기술로 이어질 가능성이 클 것으로 연구팀은 내다봤다. 박경덕 교수는 "기존 전자 기반 회로를 넘어, 빛과 입자 특성을 동시에 활용하는 새로운 형태의 '엑시톤 회로' 구현 가능성을 보여준다"고 덧붙였다. 이 기술 활영 분야는 AI 데이터센터 초저전력 인터커넥트, 고효율 광전자 소자, 차세대 태양전지 등이다. 연구결과는 국제학술지 '네이처 머티리얼즈'에 게재됐다.