중국, '세계 최소' 강유전체 트랜지스터 구현…삼성전자·SK하이닉스 바짝 추격

1나노 게이트·0.6V 구동…로직-메모리 전압 장벽 허문 FeFET 구조 제시
대중국 규제 속 '기초 소자'로 우회…中, 강유전체 트랜지스터 경쟁 본격 가세

베이징대학교와 중국과학원 연구진이 최근 미국과학진흥협회(AAAS)의 국제 학술지

[더구루=정예린 기자] 중국이 게이트 길이 1나노미터(nm)의 벽을 깨는 '세계 최소' 강유전체 트랜지스터를 구현하며 차세대 인공지능(AI) 반도체 시장의 '게임 체인저'로 부상했다. 이는 미국의 반도체 규제 속에서도 중국이 기술 자립을 위한 우회로를 성공적으로 찾아내고 있음을 보여준다. 첨단 공정 장비 수급이 막힌 중국이 기존 실리콘 방식 대신 신소재와 기초 소자 구조 연구에 집중하며 '포스트 실리콘' 시대의 원천 기술을 선점하려는 전략적 움직임이 연구 성과로 이어진 셈이다. 특히 삼성전자와 SK하이닉스 등 국내 기업이 주도권을 쥐고 있는 강유전체 분야에서 중국이 기초 소자 단계의 연구 성과를 내놓으면서, 중장기 기술 주도권을 둘러싼 한·중 경쟁이 한층 격화될 전망이다.

20일 업계에 따르면 베이징대학교와 중국과학원 연구진은 최근 미국과학진흥협회(AAAS)의 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 '0.6V(볼트) 초저전압 나노게이트 강유전체 트랜지스터(Nanogate ferroelectric transistors with ultralow operation voltage of 0.6 V)’라는 제목의 논문을 발표했다. 이번 연구의 핵심은 강유전체 전계효과 트랜지스터(FeFET)의 게이트 길이를 1나노까지 줄이면서도 구동 전압을 기존보다 낮은 0.6V 수준으로 낮췄다는 점이다.

강유전체 트랜지스터는 전원을 꺼도 정보가 유지되는 비휘발성 메모리와 연산 처리가 빠른 로직 반도체의 특성을 결합한 차세대 소자다. 이 소자는 데이터를 쓸 때 높은 전압이 필요해 실제 연산을 담당하는 부분과 전압을 맞추기 어렵고 이를 해결하기 위해 전압을 높여주는 복잡한 회로가 추가되면서 칩이 커지고 전력도 많이 소모되는 구조적 한계가 있었다. 

연구팀은 전극을 탄소나노튜브로라는 미세한 소재로 구현해 전기장을 한 지점에 집중시키는 방식을 적용해 문제를 해결했다. 전기장을 집중시키는 구조를 통해 상대적으로 적은 양의 전력만으로도 데이터를 원활하게 처리할 수 있게 만든 것이다.

이같은 방식은 AI 반도체의 전력 구조와 직결된다. AI 칩은 연산보다 메모리와 연산부 사이에서 데이터를 주고받는 과정에서 전력 손실이 커지는 구조가 반복적으로 지적돼 왔다. 메모리가 연산부와 같은 낮은 전압에서 바로 동작할 경우 전압 조절 회로 부담이 줄어 발열과 전력 소모를 함께 낮출 수 있다. 엣지 AI, 웨어러블 기기, 상시 동작 기능이 필요한 장치에서의 활용 가능성도 함께 거론된다.

반도체 미세화 공정이 한계에 다다른 상황에서 1나노급 구조에서도 성능 저하 없이 안정적인 신호를 기록했다는 점은 차세대 공정의 실현 가능성을 보여준 지표로 평가된다. 연구팀이 사용한 몰리브덴 디설파이드(MoS₂) 기반 소자는 신호를 명확하게 구분하는 능력이 뛰어나고 데이터 처리 속도 역시 매우 빨라 기존 트랜지스터의 물리적 한계를 보완할 수 있다. 단순히 칩의 크기를 줄이는 것을 넘어 공정이 미세해질수록 성능이 떨어지는 기존의 약점을 극복하고 더 작고 강력한 반도체를 만들 수 있는 토대가 된다.

현재 강유전체 분야의 기술 축적과 특허 경쟁에서는 한국 기업이 앞서 있다. 지난 2012~2023년 IP5(한국·미국·중국·EU·일본) 출원 기준 강유전체 소자 특허는 한국이 출원량과 증가율 모두 1위를 기록했고, 주요 출원인도 삼성전자와 SK하이닉스가 상위권을 차지했다. 삼성전자는 강유전체 기술을 낸드플래시에 접목해 전력 소모를 줄이는 연구 성과를 냈고, SK하이닉스 역시 차세대 AI 메모리 시장을 겨냥해 관련 특허를 확보하고 있다.