‘그래핀·IGZO 트랜지스터’로 실리콘 한계 넘었다

충북대학교 오세영 박사과정 연구팀이 실리콘 한계를 뛰어넘는 차세대 그래핀 기반 트랜지스터 기술을 세계 최초로 구현해, 인공지능 시대 초저전력 반도체 설계의 새 장을 열었다.

충북대학교(총장 고창섭) 재료공학전공 오세영(박사 4년, 지도교수 조병진) 씨가 주도한 연구 결과가 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF 26.8)’ 온라인판 지난 9월 2일자에 게재됐으며, 오는 2026년 발간될 7호 저널의 표지 논문(Front cover)으로 선정됐다.

15일 충북대에 따르면, 이번 논문은 ‘Chip-Scale Graphene/IGZO Cold Source FET Array Enabling Sub-60 mV dec⁻¹ Super-Steep Subthreshold Swing(칩 스케일 그래핀/IGZO 콜드 소스 전계 효과 트랜지스터 어레이를 통한 60 mV/dec 이하 초경사 문턱전압이하 스윙 구현)’이라는 제목으로, 실리콘 트랜지스터의 물리적 한계를 넘어선 혁신적 성과를 발표했다.

연구팀은 선형적인 상태밀도함수(DOS)를 갖는 반금속 소재를 소스 전극으로 활용해 채널/소스 계면의 열전자 농도를 낮춤으로써 초경사 스위칭을 구현할 수 있다는 원리에 착안해 콜드 소스 트랜지스터를 개발했다.

단일층 그래핀을 소스 전극으로, 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO)을 반도체 채널로 구성한 8×8 트랜지스터 어레이를 제작해 상온에서도 60 mV/dec 이하의 문턱전압이하스윙(SS) 특성을 균일하게 구현하는 데 성공했다.

졸-겔 공정과 전사 공정을 결합해 그래핀 전극을 정밀 형성했으며, 기존 금속 전극 기반 소자보다 안정적이고 균일한 초저전력 특성을 확보했다.

또한 게이트 유전체의 종류에 따른 SS 특성을 분석한 결과, 낮은 body factor를 갖는 하프늄 산화물 유전체가 SS 값을 60 mV/dec 이하로 낮추는 핵심 요소임을 밝혀냈다.

이번 연구에는 오세영 씨가 단독 제1저자로, 조병진 교수와 박우진 박사후연구원, 한국재료연구원 김용훈 박사가 공동 교신저자로, 삼성전자 강경록 연구원이 공동 저자로 참여했다.

조병진 교수는 “이번 연구는 대면적 공정이 가능한 IGZO 산화물 반도체와 고유전율 유전체를 적용해 칩 어레이 수준에서 높은 수율과 신뢰성 있는 초경사 스위칭을 확보한 세계 최초 사례”라며, “인공지능과 초저전력 컴퓨팅 시대를 대비한 차세대 트랜지스터 설계의 핵심 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

이번 연구는 오세영 씨가 3년간 수행한 충북대-삼성전자 DS 산학과제의 성과로, 한국과 미국에서 관련 특허를 출원했으며 학문적·산업적 가치가 높다.