국내 연구진, AI칩용 단결정 정밀 제어 기술 개발

국내 연구진이 반도체 단결정 성장을 원하는 위치에서 정밀하게 제어하는 기술을 세계 최초로 개발했다. KAIST 강기범 교수, UNIST 김병조 교수, 한양대 김우희 교수 공동 연구팀이 이번 성과를 발표하며 고집적 AI 반도체 분야에 새로운 가능성을 열었다.

기존 반도체 결정 성장 기술은 결정이 자라는 위치만 제어하는 수준에 머물렀다. 이번 기술은 결정 성장이 '시작되는 자리'까지 정밀 제어함으로써 균일한 단결정 형성을 가능하게 했다. 이는 반도체 공정의 정밀도를 한 단계 높이는 핵심 진전으로 평가된다.

단결정(Single Crystal)이란 원자 배열이 전 영역에 걸쳐 일정한 결정 구조를 의미한다. 반도체 소자의 성능과 신뢰성은 결정 균일성에 크게 좌우되기 때문에, 단결정 형성 기술은 고성능 칩 제조의 핵심 요소다.

이번 기술의 가장 큰 응용 분야는 3차원(3D) 집적 반도체다. AI 연산에 필요한 고성능 칩을 여러 층으로 쌓는 3D 집적 구조에서는 각 층의 결정 균일성이 전체 소자 성능을 결정한다. 연구팀은 이 기술이 차세대 AI 가속기 칩 설계에 직접 활용될 수 있다고 밝혔다.

AI 반도체 시장은 엔비디아·AMD·인텔 등 글로벌 기업들의 치열한 경쟁 속에 연간 30% 이상 성장하고 있다. 국내에서도 삼성전자와 SK하이닉스가 HBM(고대역폭메모리) 등 AI용 고집적 반도체에 집중 투자하고 있어, 원천 소재·공정 기술의 국내 확보가 시급한 상황이다.

강기범 KAIST 교수는 "결정 성장 제어 기술은 단순한 연구 성과를 넘어 실제 양산 공정에 적용 가능한 수준"이라며 "향후 파운드리 기업들과의 기술 이전 협의를 진행할 계획"이라고 밝혔다.

이 기술은 실리콘 기반 반도체 외에도 갈륨나이트라이드(GaN), 탄화규소(SiC) 등 차세대 전력반도체 소재에도 응용 가능하다. 전력반도체 분야는 전기차·데이터센터 수요 급증으로 연간 시장 규모가 2030년까지 300억 달러를 넘어설 것으로 전망된다.

국내 반도체 소부장(소재·부품·장비) 업계에서는 이번 기술이 국산 소재 경쟁력 강화로 이어질 것으로 기대하고 있다. 특히 일본·미국 의존도가 높은 고순도 반도체 소재 분야에서 자립 기반을 구축하는 데 기여할 수 있다는 분석이 나온다.

해외에서도 단결정 제어 기술 연구는 활발하다. 미국 MIT, 일본 도쿄대 등이 유사한 방향의 연구를 진행 중이지만, 성장 시작점까지 동시에 제어한 사례는 이번이 처음으로 알려졌다. 국제 학술지 게재가 완료되면 글로벌 주목도가 더욱 높아질 전망이다.

정부는 반도체 소부장 분야에 2026년 기준 연간 1조 원 이상의 R&D 예산을 투입하고 있다. 이번 연구도 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐으며, 산업화 단계에서는 중소기업부의 사업화 지원 프로그램 연계가 검토되고 있다.

전문가들은 이번 기술이 상용화되기까지 3~5년의 추가 검증 기간이 필요할 것으로 보고 있다. 다만 AI 반도체 수요가 기하급수적으로 늘어나는 만큼, 기업들의 기술 이전 수요도 빠르게 증가할 것으로 예상된다.

이번 성과는 한국이 반도체 장비·소재 분야에서 일본·미국에 대한 의존도를 줄이고 독자적인 기술 역량을 키울 수 있다는 가능성을 보여준 사례로 평가된다. 소부장 산업 전반의 기초 기술 강화라는 측면에서도 중요한 이정표가 될 전망이다.