조수연 교수 공동연구팀, 차세대 전자재료의 새로운 패러다임 제시
초저전력 전자소자의 새로운 해법으로서 반데르발스(2D) 소재 가능성 연구
재료과학 분야 최고 권위 국제 학술지 <Nature Reviews Materials> 게재
본교 화공신소재공학과 조수연 교수팀이 한국과학기술원 물리학과와의 공동연구를 통해 차세대 저전력 전자소자를 구현하기 위한 핵심 대안으로 반데르발스(van der Waals, vdW) 소재의 가능성을 종합적으로 조망한 리뷰 논문을 발표했다. 해당 논문은 재료과학 분야 최고 권위 국제 학술지 <Nature Reviews Materials>(IF=86.2)에 게재되며, 에너지 효율 전자소자 연구의 새로운 기준을 제시했다.
인공지능(AI), 데이터 센터, 고성능 컴퓨팅 기술의 확산으로 전자소자의 에너지 소비가 급격히 증가하고 있다. 기존 실리콘 기반 3차원(3D) 반도체 기술은 고집적화가 진행될수록 발열과 전력 손실이 커져, 기술 발전의 지속가능성에 근본적인 한계에 직면해 있다.
이러한 문제를 해결할 대안으로 반데르발스 소재, 즉 원자 한 층 두께의 2차원(2D) 물질이 주목받고 있다. 공동 연구팀은 반데르발스 소재가 기존 전자소자의 에너지 효율 한계를 어떻게 극복할 수 있는지를 체계적으로 정리하고 새로운 소자 설계 방향을 제시했다.
반데르발스(vdW) 소재 기반 전자소자의 에너지 효율 향상 개념도
반데르발스 소재는 원자 수준의 두께로 인해 전기적 제어성이 뛰어나며, 결함과 계면 손실이 적어 에너지 소모를 크게 줄일 수 있다. 또한 하나의 물질이 여러 결정 구조와 전자 상태를 가질 수 있는 다형성(polymorphism) 특성을 지녀, 기존 반도체에서는 구현하기 어려웠던 새로운 스위칭 메커니즘과 다중 상태 전자소자 구현이 가능하다.
연구팀은 이러한 특성을 활용하면 저전력 트랜지스터, 비휘발성 메모리, 뉴로모픽 및 적응형 전자소자 등 차세대 에너지 효율 전자기술로의 확장 가능성을 제시했다. 특히 결정–결정 상전이, 전하 및 이온 결합 현상 등은 기존 CMOS 기술을 보완하거나 대체할 수 있는 새로운 동작 원리를 제공한다.
또한 반데르발스 소재의 산업적 적용을 위해 남아 있는 과제로 웨이퍼 규모 합성, 공정 호환성, 소자 신뢰성 확보를 지적하며, 기초 소재 과학과 실제 소자 공학을 연결하는 전략적 연구의 중요성을 강조했다.
이번 연구는 반데르발스 소재가 단순한 차세대 반도체 후보를 넘어, 에너지 효율이 핵심 경쟁력이 되는 미래 전자기술의 근본적 전환점이 될 수 있음을 보여준다. 이는 지속가능한 인공지능과 친환경 전자산업을 향한 중요한 발걸음으로 평가된다.
본교 조수연 교수와 한국과학기술원 양희준 교수가 공동교신저자로 참여한 논문 「Van der Waals materials for energy-efficient electronic devices」는 2월 2일(월) <Nature Review Materials> 온라인 게재되었다. 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원, 국가연구소(NRL2.0) 지원사업와 브레인링크 프로그램(BrainLink Program)의 지원을 받아 수행되었다.
조수연 교수는 2004년 본교 물리학과를 졸업하고 서울대 물리학과 석사, 프랑스 파리제11대학(현 파리-싸클레 대학) 화학전공과 서울대 물리천문학부에서 박사학위를 받았다. 이후 프랑스 생오뱅에 위치한 국립가속기센터와 성균관대 수원캠퍼스 나노구조물리연구단(CINAP)에서 박사후연구원을 거쳐 2017년부터 본교 화학신소재공학부 동문 교수 1호로 부임, 재직 중이다.