반데르발스 반도체, 왜 주목받나?

반데르발스 반도체 뜨는 이유

반도체 관련 기사를 읽다 보면 가끔씩 반데르발스 반도체란 단어가 눈에 띈다. 최근에는 377억 원이 투입되는 국책과제도 시작됐다. 무언가 중요한 기술 같은데 자세한 설명은 없다.

 

이 글은 반데르발스가 무엇인지, 그리고 왜 지금 정부가 이 기술에 투자하는지를 풀어본다.

 

반데르발스는 신소재가 아니라 반도체를 쌓는 방식이다

반데르발스(van der Waals)는 그래핀 같은 새로운 물질이 아니라 원자층과 원자층을 연결하는 결합 방식이다.

 

기존 반도체는 원자들이 강하게 결합돼 있어 안정적이지만, 미세화가 극한에 이르면 더 이상 구조를 확장하기 어렵다.

 

하지만 반데르발스 방식은 다르다. 원자 한 층짜리 반도체를 아주 약한 힘으로 겹쳐 쌓을 수 있다. 이 차이가 바로 차세대 반도체 구조 논의의 출발점이다.

 

왜 지금 반데르발스인가?

반도체 산업은 현재 벽에 도달했다.

크기를 줄이면 전류가 샌다
발열이 급격히 증가한다
발열이 급격히 증가한다

 

그래서 업계의 질문은 "얼마나 작게 만들 것인가"에서 "어떻게 쌓을 것인가"로 바뀌었다.

이런 상황에서 반데르발스 반도체는 원자층 단위로 3차원 적층이 가능한 거의 유일한 대안으로 평가된다.

 

기존 실리콘 반도체와 무엇이 다른가

기존 반도체는 벽돌을 시멘트로 붙인 구조에 가깝다.

반면에 반데르발스 반도체는 얇은 종이를 여러 장 겹쳐 쌓은 구조다.

 

벽돌은 튼튼하지만 더 쌓기 어렵고, 종이는 얇지만 층을 무한히 늘릴 수 있다.

그래서 기사에서 반복해서 등장하는 '고집적, 3차원 적층, 차세대 반도체' 같은 표현은 모두 같은 방향을 가리킨다.

 

반데르발스 반도체 개발 국책과제는 무엇을 구현하려는 걸까

과제의 핵심은 이론적으로 가능한 기술을 현실에서 만들 수 있는 기술로 바꾸는 데 있다.

 

이를 위해

● 원자층 반도체 소재를 안정적으로 합성하는 연구

● 이를 실제 메모리 소자로 구현하는 공정 기술

● 대규모 적층이 가능한지에 대한 실증

이 모두가 동시에 진행된다.

 

개발 과정에는 소재 합성 분야를 담당하는 성균관대와 메모리 소자·공정 분야를 오랫동안 연구해온 전북대 연구진이 역할을 나눠 참여하고 있다.

 

이 기술이 성공하면 무엇이 달라질까

이 기술이 상용화 되면

● AI 반도체는 더 빠르고 전력 소모는 감소하고

● 메모리 반도체는 HBM 이후의 새로운 적층 구조로 쌓을 수 있게 되고

● 데이터센터는 발열·전력 부담이 완화되고

● 반도체 산업은 미세공정 추격에서 구조 설계 경쟁으로 전환되게 된다.

 

그래서 반데르발스 반도체는 단순한 차세대 기술이 아니라 반도체 산업의 방향 자체를 바꾸는 분기점이 될 것으로 평가된다.