2D CMOS 컴퓨터가 실리콘 대체의 새로운 시대를 열다

반도체 기술 세계에서, 현대 전자의 기반을 이루는 실리콘(Si)은 가장 널리 사용되는 재료입니다.

산소 다음으로 지구상에서 두 번째로 풍부한 원소인 실리콘은 미니어처화(miniaturization)를 통해 반도체 기술의 발전을 가능하게 했습니다. 마이크로프로세서에서 자동화, 컴퓨터, 스마트폰, 전기차에 이르기까지, 실리콘은 장치의 물리적 크기를 크게 줄이며 전자공학에 혁신을 가져왔습니다.

하지만 이제는 스케일링에 대한 한계가 나타나면서 새로운 재료를 탐색해야 할 필요성이 생겼습니다. 여기서 2차원(2D) 재료가 원자 수준에서 전례 없는 장치 성능 향상의 잠재력을 보여주고 있습니다.

2D 재료는 원자 한 층으로 이루어진 초박막 나노재료입니다. 높은 이방성 및 화학적 기능성을 가지고 있으며, 매력적인 전자적 특성 덕분에 다양한 응용 분야에 활용될 수 있습니다. 그래핀은 인기 있는 2D 재료. 

따라서 원자 두께와 높은 캐리어 이동도를 가진 2D 재료는 유망한 대안으로 부상하고 있습니다. 웨이퍼 규모 성장, 고성능 전계효과 트랜지스터(FET), 그리고 이들 재료 기반 회로에서도 상당한 진전이 이루어졌습니다.

FET는 전계(electric field)를 이용해 반도체를 통한 전류를 제어하는 트랜지스터 유형입니다. 현대 전자기기의 핵심 부품으로서, FET는 고전압·고주파 전력 회로에서 제어 스위치 역할을 합니다.

많은 진전이 있었지만, 보완형 금속산화물 반도체(CMOS) 통합을 달성하는 것은 여전히 과제로 남아 있습니다. 

CMOS는 컴퓨터 프로세서, 메모리 칩 및 기타 디지털 장치의 집적 회로 제조에 사용되는 기술 유형입니다. 이 기술은 이러한 구성 요소를 통한 전류 흐름을 조절하여 정상적인 동작을 보장합니다.

특히 CMOS는 논리 기능을 구현하기 위해 n형(NMOS)과 p형(PMOS) 트랜지스터를 보완적으로 사용합니다. 

n형 트랜지스터는 주된 전하 운반체인 음전하 전자를 이용해 전류를 흐르게 합니다. p형 트랜지스터에서는 양전하인 정공이 주요 전하 운반체이며, 전원을 공급원에서 출력으로 전류가 흐르게 합니다.

CMOS에서 금속산화물반도체는 트랜지스터를 구성하는 재료를 의미합니다: 게이트는 금속, 절연은 산화물, 채널은 실리콘 반도체입니다. 

CMOS가 강력한 이유는 단일 반도체 칩 위에 복잡한 전자 회로를 구현할 수 있기 때문입니다. 또한 CMOS 트랜지스터는 상태 전환(ON/OFF) 시에만 전력을 소모하므로 다른 기술에 비해 전력 소모가 낮고, 높은 신뢰성을 자랑합니다.

이제 펜실베이니아 주립대 연구진이 CMOS와 2D 재료의 통합이라는 난관을 극복했습니다. 

그들이 이룬 것은 CMOS 기술을 기반으로 한 2D 단일 명령어 집합 컴퓨터를 개발한 것입니다. 이는 넓은 면적의 n형 MoS₂와 p형 WSe₂ 전계효과 트랜지스터의 이종 통합을 활용한 결과입니다. 

팀은 n형 및 p형 2D FET 모두에 대해 임계 전압을 맞춤 설계함으로써 높은 구동 전류와 낮은 서브스레시홀드 누설을 달성했습니다. 이는 채널 길이를 스케일링하고, 고‑κ 게이트 유전체를 도입하며, 재료 성장 및 디바이스 후처리를 최적화함으로써 가능했습니다.

이로써 회로는 3 V 이하에서 최대 25 kHz의 동작 주파수를 구현했으며, 피코와트 수준의 초저전력 소비와 약 100 pJ의 스위칭 에너지를 달성했습니다.

Penn State’s 2D CMOS Computer Pushes the Atomic Limit

실리콘은 반도체 기술의 선두주자이지만, 이 화학 원소와 달리 원자 한 층 두께의 2D 재료는 그 규모에서도 특성을 유지할 수 있습니다.

수십 년 동안 “전계효과 트랜지스터(FET)의 지속적인 미니어처화를 가능하게 하며 전자공학에 놀라운 진보를 이끌어온” 실리콘은 이제 장치를 더 작고 성능 좋게 만들기 위한 큰 도전에 직면했습니다. 

“실리콘 장치가 축소될수록 성능이 저하되기 시작한다”고 펜실베이니아 주립대의 연구 책임자이자 Ackley 공학 교수이자 공학 과학 및 역학 교수인 Saptarshi Das가 언급했습니다.

반면 2D 재료는 원자 두께에서도 뛰어난 전자적 특성을 유지하므로 “유망한 앞으로의 길”을 제시합니다. 따라서 선구적인 연구에서 연구팀은 2D 재료를 활용해 간단한 연산이 가능한 컴퓨터를 개발했습니다.

Nature에 발표된¹ 이 연구는 해군 연구소, 육군 연구소, 미국 국립 과학재단의 지원을 받아 더 얇고 빠르며 에너지 효율이 높은 전자기술을 실현하는 큰 도약을 상세히 설명합니다.

앞서 언급했듯이, 연구팀은 금속과 비금속 사이의 중간 특성을 보이는 사면체 원소인 실리콘에 의존하지 않는 CMOS 컴퓨터를 만들었습니다. 연구진은 두 종류의 2D 재료를 사용해 CMOS 컴퓨터에 필요한 두 종류의 트랜지스터를 구현했습니다.

n형 트랜지스터에는 이차원 전이금속 디칼코겐화물(TMDC) 계열의 무기 재료인 이산화 몰리브덴(MoS₂)을 사용했으며, 이는 낮은 마찰계수, 뛰어난 열안정성, 높은 내마모성을 갖습니다(특정 조건 하에서).

p형 트랜지스터에는 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)를 사용했습니다. 이 무기 화합물은 MoS₂와 유사한 육각형 결정 구조를 가지고 있으며, 높은 캐리어 이동도, 충분한 밴드갭, 뛰어난 온오프 비율 등 독특한 전자적 특성을 지닙니다. 

CMOS 기술은 고성능·저전력을 달성하기 위해 n형과 p형 반도체가 함께 작동해야 하는데, 이는 실리콘을 넘어서는 기술 개발에 큰 장벽이었습니다. 

연구에 따르면, 2D 재료 기반 소형 회로를 복잡하고 기능적인 컴퓨터로 확장할 수 있다는 점은 입증됐지만, 아직 완전한 실현은 이루어지지 않았습니다.

연구진은 이것이 그들의 연구에서 핵심적인 진전이라고 설명합니다. 처음으로 넓은 면적에서 성장한 MoS₂와 WSe₂ 트랜지스터를 결합해 완전한 CMOS 컴퓨터를 구축했습니다.

트랜지스터를 제조하기 위해 팀은 금속‑유기 화학 기상 증착(MOCVD) 공정을 사용했습니다. 이 과정에서는 전구체를 기화시켜 화학 반응을 유도하고, 생성물을 기판 위에 증착합니다.

MOCVD를 이용해 팀은 대형 MoS₂와 WSe₂ 시트를 성장시켰으며, 각각 1,000개 이상의 트랜지스터를 제작했습니다. 

그 후 디바이스 제조 및 후처리 과정을 세심하게 조정해 n형·p형 트랜지스터의 임계 전압을 맞춤 설정함으로써 완전한 CMOS 논리 회로를 구현했습니다.

According to Subir Ghosh, the first author of the study and a doctoral student of engineering science and mechanics:

“우리의 2D CMOS 컴퓨터는 낮은 전원 전압에서 최소 전력 소비로 동작하며, 최대 25 kHz의 주파수에서 간단한 논리 연산을 수행할 수 있습니다.” 

이 동작 주파수는 기존 실리콘 CMOS 회로에 비해 낮지만, Ghosh는 여전히 간단한 논리 연산을 수행할 수 있다고 강조했습니다.

“우리는 실험 데이터를 기반으로 보정하고 디바이스 간 변동성을 포함한 계산 모델을 개발해 2D CMOS 컴퓨터의 성능을 예측하고 최첨단 실리콘 기술과 벤치마크했습니다. 추가 최적화 여지가 남아 있지만, 이번 연구는 2D 재료를 활용해 전자공학 분야를 진전시키는 중요한 이정표가 됩니다.”

– Ghosh

따라서 큰 성과이지만 작업이 끝난 것은 아닙니다. 2D CMOS 컴퓨터 접근 방식을 보다 널리 활용하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 그러나 Das는 실리콘 기술 개발에 비해 분야가 빠르게 진전하고 있음을 강조했습니다.

“실리콘 기술은 약 80년 동안 개발돼 왔지만, 2D 재료에 대한 연구는 비교적 최근인 2010년경에 본격적으로 시작되었습니다. 2D 재료 기반 컴퓨터 개발도 점진적인 과정이 될 것이지만, 실리콘의 발전 궤적에 비하면 큰 도약이라고 볼 수 있습니다.”

– Das

Building Microchips with 2D Materials at Scale

몇 달 전, 중국 과학자들은 몰리브덴 디설파이드 기반 마이크로칩 개발²을 보고했습니다. 이 칩은 5,931개의 트랜지스터를 포함하며, 각각은 세 원자 두께입니다.

몰리브덴 디설파이드(MoS₂)는 실리콘이 더 이상 진보를 제공하지 못할 경우 “무어의 법칙”(Moore’s Law)을 지속할 수 있게 해줄 것으로 과학자들은 믿고 있습니다.

“2D 재료는 10년 넘게 널리 옹호되어 왔지만, 현재 개발의 실제 제한은 단일 디바이스 성능이 아니라, 많은 2D 전자 디바이스가 실험실 수준에서 매우 잘 작동한다는 점입니다.”

– 푸단 대학 교수인 Bao Wenzhong

그는 “확장 가능하고, 반복 가능하며, 산업 공정과 호환되는 통합 기술 시스템이 부족하다”는 점에서 2D 재료의 실용성이 의문시되고 있다고 덧붙였습니다.

이에 팀은 RV32‑WUJI라는 새로운 마이크로칩을 만들었습니다. 이 칩은 기존 CMOS 기술을 활용해 거의 6,000개의 MoS₂ 트랜지스터를 제작했으며, 실험실 연구에서 시스템 수준 엔지니어링 응용으로 전환되는 전환점을 마련했습니다.

이 마이크로칩은 표준 32비트 명령을 실행할 수 있는 RISC‑V 아키텍처를 탑재했습니다. 새로운 프로세서는 전기적으로 트랜지스터를 서로 분리하는 절연 사파이어 기판 위에 구축되었습니다. 또한 RV32‑WUJI용 표준 셀 라이브러리도 개발했으며, 여기에는 기본 기능을 수행하는 25가지 논리 유닛이 포함됩니다. 각 공정 단계를 최적화하기 위해 팀은 머신러닝을 활용했습니다. 

연구진은 99.77%의 제조 수율을 달성했습니다. 이 칩은 연산 수행 시 단지 0.43 mW의 전력만 소비합니다. 

실리콘 칩은 트랜지스터 수와 동작 주파수가 수백만 배 이상 높지만, Bao는 새로운 작업이 실험실 기반이며, 지난 수십 년간 실리콘 기반 반도체에 막대한 R&D 자원이 투입된 것과 대조된다고 말했습니다. 산업이 2D 반도체를 채택한다면 “실리콘 기반 성능을 따라잡는 속도가 우리가 상상하는 것보다 훨씬 빠를 것”이라고 덧붙였습니다.

2D 활성 물질인 몰리브덴 디설파이드(MoS₂)는 최근 플래티넘(Pt) 원자 수준 업그레이드를 받았습니다. 이는 새로운 연구³에서 비엔나 대학과 비엔나 공과대학이 수행했습니다.

연구진은 초박막 MoS₂ 단층에 개별 Pt 원자를 삽입했으며, 혁신적인 접근법을 통해 격자 내 정확한 위치를 원자 수준에서 처음으로 확인했습니다.

그들의 접근법은 MoS₂ 단층에 목표 결함을 만들고, 플래티넘 증착을 제어하며, 고대비 계산 현미경 이미징 기술을 결합한 것으로, 2D 시스템에서 원자 규모 특성을 이해하고 설계하는 새로운 경로를 제공한다고 연구진은 믿고 있습니다.

Beyond CMOS: Hybrid 2D Materials and Quantum Pathways

연구자들은 차세대 전자기술을 위해 실리콘을 대체할 새로운 재료를 오랫동안 찾아왔습니다. 이러한 재료는 높은 성능과 낮은 전력 소비를 제공하면서도 확장성을 갖추어야 하며, 이는 2D 재료로 향하게 됩니다.

몇 년 전 MIT가 공동 주도한 다기관 연구는 실제로 두 가지 기술적 돌파구를 달성했으며, 전이금속 디칼코겐화물(TMD)을 성장시키는 방법이 장치를 더 빠르고 에너지 효율적으로 만들 수 있음을 최초로 보고했습니다.

새로운 재료를 만들기 위해 팀은 웨이퍼 규모(대규모)에서 세 가지 과제—단일 결정성 확보, 수직 이종구조, 비균일 두께 방지—를 극복해야 했습니다.

3D 재료와 달리, 2D 재료는 거칠어짐과 평탄화를 통해 균일한 표면을 만들 수 없으며, 이로 인해 표면이 고르지 않아 대규모 고품질 균일 2D 재료 생산이 어렵습니다.

그래서 팀은 2D 재료의 동역학 제어를 촉진하는 제한된 구조를 구축했으며, 이는 모든 과제를 해결함과 동시에 짧은 성장 시간을 위한 자체 정의 시드 성장을 요구했습니다.

다른 기술적 돌파구는 대규모에서 층별로 단일 도메인 이종접합 TMD를 구현한 것이었습니다. 

2D 재료에 대한 연구는 실제로 끊임없이 확장되고 있으며, 과학자들은 보다 진보된 미래를 위해 새로운 기능을 지속적으로 탐구하고 있습니다. 

불과 몇 주 전, 라이스 대학의 재료 과학자들은 진정한 2D 하이브리드⁴를 화학적으로 그래핀과 실리카 유리를 결합해 ‘glaphene’이라는 새로운 화합물을 만들었습니다.

According to the study’s first author, Sathvik Ajay Iyengar:

“층이 단순히 서로 위에 놓이는 것이 아니라—전자가 움직이며 새로운 상호작용과 진동 상태를 형성해, 각각의 재료가 단독으로 가질 수 없는 특성을 만들어냅니다.” 

이 대륙 간 협력에서 두 단계, 단일 반응 방법이 개발되었으며, 탄소와 실리콘을 모두 함유한 액체 화학 전구체를 사용해 glaphene을 성장시켰습니다. 가열 중 산소 수준을 조절해 먼저 그래핀을 성장시키고, 이후 실리카 층 형성을 위한 조건으로 전환했습니다.

특히 이 방법은 다양한 2D 재료에 적용 가능해 차세대 전자 및 양자 장치를 위한 맞춤형 2D 재료 개발의 문을 열어줍니다.

한국의 과학자들도 2D 반도체 재료를 활용해 새로운 양자 상태를 발견⁵했으며, 이는 보다 안정적인 양자 컴퓨터에 전력을 공급할 수 있습니다. 이 새로운 양자 상태는 2D 반도체 칩에서 양자 정보를 보다 신뢰성 있게 제어하는 데 활용될 수 있습니다. 

극소형 재료는 오랫동안 양자 컴퓨팅의 큰 진보를 이끌어 왔으며, 대구 경북 과학기술원(DGIST)의 최신 연구는 데이터 저장을 위한 새로운 재구성 가능한 장치의 길을 열고 있습니다. 

“우리는 exciton‑Floquet 합성 상태라는 새로운 양자 상태를 발견했으며, 양자 얽힘 및 양자 정보 추출을 위한 새로운 메커니즘을 제안했습니다. 이는 2차원 반도체에서 양자 정보 기술 연구를 앞당길 것으로 기대됩니다.”

– DGIST 이재동

한편, 작년에는 독일 뷔르츠부르크 대학교와 TU 드레스덴의 과학자들이 2D 양자 재료를 환경 영향으로부터 보호하는 코팅을 개발했습니다. 이 코팅은 혁신적인 특성을 손상시키지 않으면서도 외부 환경으로부터 보호합니다. 

과학자들은 극히 얇은 양자 반도체가 정교한 진공 장비와 특정 기판 재료가 필요하다는 것을 이전에 발견했습니다. 전자 부품에 2D 재료를 사용하면 진공 환경에서 벗어나게 되지만, 짧은 시간이라도 공기와 접촉하면 산화되어 특성이 파괴되어 “쓸모없게” 됩니다.

그래서 팀은 환경 요소로부터 민감한 층을 보호하는 방법을 찾기 위해 보호 코팅을 개발했습니다. 2년간의 연구 끝에 성공을 거두었으며, 실리콘 카바이드를 기판으로 사용해 indenene을 가열하는 고진공 장비를 활용했습니다.

팀은 이 기술이 극히 민감한 반도체 원자층을 포함하는 응용 분야의 길을 열어줄 것으로 보고 있으며, 현재 더 많은 반데르발스 물질을 보호층으로 식별하고 있습니다.

Investing in 2D Semiconductor Tech

트랜지스터 크기 축소 문제를 해결하기 위해 적극적으로 활동하고 있는 Applied Materials (AMAT )는 2D 반도체의 산업 전환을 가능하게 하는 제조 장비와 공정 화학을 통해 중요한 역할을 수행하고 있습니다.

1370억 달러 규모의 시가총액을 가진 Applied Materials의 시장 실적도 강력한 상승세를 보이고 있습니다. 

Applied Materials (AMAT )

현재 Applied Materials 주가는 $170.50이며, 연초 대비 4.9% 상승했으며, 지난해 여름 사상 최고가 대비 33.6% 하락한 상태입니다. EPS(TTM)는 8.21이며, P/E(TTM)는 20.78, 배당 수익률은 1.08%입니다.

기업 재무와 관련해 Applied Materials는 2025년 4월 27일 종료된 2분기에 매출 71억 달러를 기록했으며, 전년 대비 7% 증가했습니다.

“동적인 경제·무역 환경에도 불구하고 ‘강력한 실적’이 달성되었습니다.”라고 Brice Hill 수석 부사장 겸 CFO가 말했습니다. 또한 고객 수요에 큰 변화는 없었다고 보고했습니다.

GAAP 기준 총이익률은 49.1%이며, 비GAAP 기준 총이익률은 49.2%입니다. GAAP EPS는 28% 상승해 $2.63, 비GAAP EPS는 14% 상승해 $2.39를 기록했습니다. 이 기간 동안 영업 현금 흐름은 15억 7천만 달러이며, 주주에게는 20억 달러를 배당금 3억 2500만 달러와 자사주 매입 16억 7천만 달러를 통해 반환했습니다.

“Applied Materials의 광범위한 역량과 연결된 제품 포트폴리오가 2025년 역동적인 거시 환경 속에서도 강력한 실적을 견인하고 있습니다.”

– CEO Gary Dickerson

그는 고성능·에너지 효율적인 AI 컴퓨팅이 여전히 반도체 혁신의 주요 동력이라고 강조했습니다.

Latest Applied Materials (AMAT) Stock News and Developments

Conclusion

세계 최초로 원자 두께 2D 재료만으로 작동하는 CMOD 컴퓨터를 구축함으로써, 연구진은 실리콘의 오랜 지배력을 뒤흔들었을 뿐 아니라 전자 장치를 더 작고 빠르며 우수하게 만들기 위한 기존 문제에 대한 해결책을 제시했습니다.

팀이 제작한 2,000개 이상의 트랜지스터는 컴퓨터에서 논리 연산을 수행할 수 있어 기존 실리콘을 대체할 수 있음을 보여줍니다.

아직 초기 단계이지만, 이번 돌파구는 원자 한 층 두께의 재료가 구동하는 고성능·에너지 효율이 뛰어나고 얇은 전자기기의 미래를 기대하게 합니다.

층상 반도체가 차세대 메모리 저장의 도약이 될 수 있는 이유를 알아보려면 여기를 클릭하세요.

Studies Referenced:

^{1. Ghosh, S.; Zheng, Y.; Rafiq, M.; et al. A Complementary Two-Dimensional Material-Based One Instruction Set Computer. Nature 2025, 642 (12), 327–335. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7}
2. Ao, M.; Zhou, X.; Kong, X.; et al. A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-Dimensional Semiconductors. Nature 2025, 640 (17), 654–661. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08759-9
3. Li, J.; Yuan, Y.; Cao, W.; Deng, B.; Li, C.; Cheng, Z.; Wang, H.; Hu, W.; Xu, H. Q.; Wang, L. Programmable P-N Junctions in Two-Dimensional Semiconductor Transistors. Nano Lett. 2025, 25 (12), 5049–5056. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00919
4. Iyengar, S. A.; Tripathi, M.; Srivastava, A.; Biswas, A.; Gray, T.; Terrones, M.; Dalton, A. B.; Pimenta, M. A.; Vajtai, R.; Meunier, V.; Ajayan, P. M. Glaphene: A hybridization of 2D silica glass and graphene. Adv. Mater. 2025, 게시일 Online 2025년 5월 28일. https://doi.org/10.1002/adma.202419136
5. Park, H.; Park, N.; Lee, J. Novel Quantum States of Exciton–Floquet Composites: Electron–Hole Entanglement and Information. Nano Lett. 2024, 24 (42), 13192–13199. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03100