“전자 충돌 없이 쭉”...반도체 발열의 근본 원인 잡았다

이길호 포스텍 물리학과 교수
네이처 커뮤니케이션즈에 게재
반도체 발열의 근본 원인 해결
“저전력·고속 반도체 토대 마련”

전자장비나 반도체의 발열을 근본적으로 해결할 수 있는 단서가 발견됐다. 수십 년간 불가능하다고 여겨진 물리학적 한계를 넘어서는 발견이다.

이길호 포스텍 물리학과 교수는 반도체 속 전자의 ‘교통 체증’을 없앨 핵심 현상인 ‘탄도 전도’를 세계 최초로 실험적으로 확인했다고 28일 밝혔다. 연구 성과는 최근 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.

모든 전자장비와 반도체 발열은 전자의 움직임 때문이다. 구리 전선에서 전자가 이동하면서 원자핵이나 다른 입자와 충돌하는데, 이때 에너지 손실과 발열이 발생한다. 전자의 이동 경로는 일직선이 아니기 때문에 충돌 횟수가 많고 신호 전달 속도도 느려진다.

보통 구리 전선에서 자유 전자는 초당 100조 번 가까이 충돌하는 것으로 알려져 있다. 전류의 속도는 빠르지만, 전자 자체는 충돌 때문에 느리게 이동하는 것이다.

만약 전자가 다른 입자와 충돌하지 않고 일직선으로 이동한다면 에너지 손실을 줄이고 신호 전달도 훨씬 빨라질 수 있다. 이를 ‘탄도 전도’ 현상이라고 부른다.

다만 지금까지 구리에서는 탄도 전도 현상이 불가능하다고 여겨졌다. 구리는 다른 물질에 비해 원자들의 진동이 심하고 전자 밀도가 높아, 이동하는 자유전자와 충돌하기 때문이다. 자유 전자가 충돌 없이 이동하는 거리는 약 40나노미터 정도로, 그래핀(수백 나노미터) 등 다른 물질에 비해 훨씬 짧다.

대부분의 전자 장비는 물론, 반도체의 회로마저 구리로 만들기 때문에 현실에서 발열을 잡는 건 불가능한 것으로 여겨졌다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 단결정 구리 박막을 만들고, 표면 거칠기도 0.2 나노미터 수준으로 매끄럽게 다듬었다. 이 박막을 이용해 두께 90나노미터, 선폭 150나노미터의 구리 배선을 제작했다.

일반 구리는 결정 방향이 제각각인 입자들이 섞여 있어, 수많은 경계면을 만든다. 이동 중인 자유전자는 이 경계면에서 산란되고 충돌해 이동 방향이 바뀐다. 반면 단결정 구리 박막은 원자를 하나씩 정밀하게 쌓아올린 것으로, 경계면을 줄이고 전자 산란이 덜 일어나도록 만들어졌다.

실험 결과, 영하 188도 정도의 저온 환경에서, 전자는 충돌 없이 일직선으로 이동하는 것으로 나타났다. 저온에서 실험한 건 구리 원자의 진동을 줄이기 위해서다. 이번 실험은 구리 내부의 경계면을 줄여 통로를 깨끗하게 만들기는 했지만, 진동 자체를 줄이지는 못했다.

이번 연구 성과는 향후 반도체 공정에 적용돼 신호 지연과 발열을 감소시키는 반도체 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구진이 실험실 수준이 아닌 실제 공장에서 쓰이는 반도체 배선과 비슷한 크기에서 현상을 구현했기 때문이다. 이 교수는 “산업 표준 금속인 구리에서 실제 배선 크기로 현상이 가능하다는 걸 보인 자체가 큰 의미”라며 “향후 저전력·고속 반도체 회로 구현의 이론적 토대를 마련한 셈”이라고 했다.

1. https://www.mk.co.kr/news/it/12059789 (매일경제)

2. https://www.dongascience.com/news/78126 (동아사이언스)

3. https://www.etnews.com/20260528000025 (전자신문)

4. https://www.kbmaeil.com/article/20260528500124 (경북매일신문)