IBS, 0.7nm급 2D 반도체 모듈형 트랜지스터 개발

과학기술정보통신부는 2026년 10월 15일, 기초과학연구원(IBS) 반데르발스 양자 물질 연구단의 조문호 단장(포스텍 석학 교수) 연구팀이 0.7nm급 모듈형 트랜지스터 제작 기술 개발에 성공했다고 발표했다. 연구 결과는 국제학술지 '사이언스'에 한국시간 기준 16일 오전 3시 게재됐다.

이번 기술의 핵심은 2차원(2D) 반도체를 구성하는 원자를 선택적으로 치환해 하나의 박막 위에 반도체·절연체·준금속 세 가지 영역을 원하는 층과 위치에 동시에 구현하는 것이다. 기존 반도체 공정은 이 세 영역을 각각 별도 소재로 적층해야 해 공정 복잡도와 계면 결함이 증가했다.

전자신문·지디넷코리아에 따르면 이번 성과는 지난 6월 IBM이 발표한 이래 세계에서 두 번째로 0.7nm급 트랜지스터 제작에 성공한 사례다. 0.7nm는 현재 양산 중인 최첨단 2nm 공정보다 훨씬 미세한 수준으로, 물리적 한계에 근접한 집적도를 의미한다.

2차원 반도체는 원자층 두께(약 0.6~0.7nm)에서도 전류 제어가 가능한 소재로, 실리콘 기반 소재가 직면한 단채널 효과·누설전류 문제를 극복할 후보군으로 주목받고 있다. 대표 물질로는 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂) 등이 있다.

이번 연구에서 연구팀은 박막 내 특정 원자를 레이저 혹은 화학적 방식으로 선택·치환하는 '원자 교환' 공법을 적용해 트랜지스터·저항·절연 영역을 단일 공정 내에서 구현했다. 이는 기존 포토리소그래피 기반 패터닝과 달리 소재 자체를 회로 블록으로 기능하게 한다는 점에서 새로운 공정 패러다임으로 평가된다.

세미콘 웨스트 2026에서 ASM의 글렌 윌크(Glen Wilk) 기술 담당 부사장은 "전통 미세화 방식은 사실상 수명을 다했다"고 밝히며 "소재가 더 이상 미세화를 가능하게 하는 역할에만 머물지 않고 반도체 혁신을 이끌 것"이라고 말했다. IBS의 이번 성과는 그 방향성을 실증한 사례로 업계가 주목하고 있다.

국내 소재·부품 산업 측면에서는 2D 반도체 소재 합성·증착 장비와 원자층 수준의 결함 분석 장비 수요가 중장기적으로 늘어날 전망이다. 특히 MoS₂·WS₂ 원료인 몰리브덴·텅스텐 정제 소재 시장과 원자층증착(ALD) 장비 분야 기업들이 관련 기술 대응에 나설 필요가 있다.

현재 삼성전자·SK하이닉스를 포함한 글로벌 반도체 기업들은 GAA(게이트올어라운드) 구조 이후의 차세대 소자 구조를 모색 중이다. 2D 반도체 기반 트랜지스터는 2030년대 이후 양산 공정 후보군에 포함될 가능성이 높아, 학계와 소재 업계 간 선행 협력이 중요해지고 있다.

소재·장비 공급망 관점에서 이번 기술은 포토레지스트·스퍼터링 타겟·CVD 전구체 등 기존 공정 소재에 더해 2D 소재 전용 전구체와 원자 치환 공정용 가스 소재 수요를 새롭게 열 수 있다. 국내 소재 기업들은 중장기 R&D 로드맵에 2D 반도체 소재를 포함시킬 시점이 됐다는 분석이 나온다.

해외에서는 TSMC·인텔이 2D 반도체 소재를 활용한 2나노 이하 소자 연구를 진행 중이며, MIT·ETH 취리히 등 주요 대학과 공동 프로젝트를 운영하고 있다. 이번 IBS 연구가 사이언스에 실리면서 국내 기관의 글로벌 기술 위상이 높아졌다는 평가가 나온다.

정부는 이번 연구를 차세대 반도체 소재 공정 국가전략기술 과제로 연계 지원할 방침이다. 과기정통부는 IBS 반데르발스 양자 물질 연구단에 대한 지속 지원을 통해 원천 기술 확보에 집중한다는 계획을 밝혔다.

향후 이 기술이 상용화 단계에 진입하려면 대면적 2D 박막의 균일성 확보, 원자 치환 공정의 재현성 향상, 그리고 기존 CMOS 공정과의 호환성 검증이 과제로 남는다. 업계는 학계 성과가 파일럿 라인 검증까지 이어지는 데 최소 5~7년이 소요될 것으로 보고 있다.