실리콘을 벗어난 혁명: 원자 한 겹 컴퓨터의 탄생

세계 최초 2차원 소재 기반 컴퓨터, 차세대 반도체 혁명의 서막

지난 2025년 6월, 펜실베이니아 주립대학교(PSU) 연구진이 실리콘이 아닌 단일 원자 두께의 2차원 소재만으로 완전한 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 컴퓨터를 구현하는 데 성공했다는 소식이 전해졌습니다. 이번 연구는 기존의 실리콘 기술이 가진 물리적 한계를 넘어, 초저전력·유연 전자소자 시대를 여는 중대한 이정표로 평가받고 있습니다.

1. 왜 “2차원(2D) 소재”가 주목받을까?

흔히 반도체하면 떠오르는 게 ‘실리콘 칩’이죠. 그런데 이번에 펜실베이니아 주립대(PSU) 연구진이 만든 컴퓨터는 실리콘 대신 원자 한 겹으로 이뤄진 2차원 물질만으로 작동합니다. 두께가 머리카락의 10만 분의 1도 안 될 만큼 얇지만, 놀랄 만큼 전기를 잘 통하게 설계할 수 있어요.

• 초박형 & 유연함
  한 겹짜리 원자막이라 휘어도 끄떡없습니다. 스마트워치나 접히는 휴대폰에도 쏙 들어갈 만큼 말랑말랑하죠.
• 초저전력
  쓰지 않을 때는 거의 전기를 안 먹습니다. 전력 소비가 수천 분의 1 수준이라 배터리 오래 가겠죠?
• 다양한 색깔(?)의 전자 성질
  ‘전자(음극) 역할’ 하는 재료, ‘정공(양극) 역할’ 하는 재료를 섞으면 우리가 아는 컴퓨터 회로(CMOS)가 뚝딱 완성됩니다.

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2. 어떻게 만들었나?

① 전자의 길잡이, MoS₂

• 이황화몰리브덴(MoS₂)은 2D 세계에서 ‘n형(음극) 트랜지스터’ 역할을 해요.
• 한 겹만 남기는 특수 증착법으로 아주 고르게 펴 발랐습니다.

② 정공의 파트너, WSe₂

• 이셀레나이드텅스텐(WSe₂)은 ‘p형(양극) 트랜지스터’에 딱!
• MoS₂와 위아래로 겹쳐 붙여서, 양쪽 전극이 서로 도와주는 구조(CMOS)를 만들었죠.

③ 한 번에 수천 개씩

• 작은 조각 하나만 잘 만드는 게 아니라, CMOS 회로 수천 개를 한꺼번에 찍어냈습니다.
• 이 과정이 ‘MOCVD’라는 화학 기상 증착법인데, 마치 종이에 잉크를 분사하듯 물질을 뿌려서 필름을 만들어요.

④ 전압도 딱 맞춰서

• 전기가 흐르기 시작하는 문턱값(임계 전압)을 ‘±0.05볼트’ 수준으로 정밀 조정!
• 덕분에 안정적으로 켜고 끌 수 있습니다.

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3. 실제로 ‘컴퓨터’가 될까?

연구진은 OISC(One Instruction Set Computer)라는 아주 단순한 형태의 컴퓨터로 시연했어요. OISC는 ‘한 가지 명령어’만으로 모든 계산을 처리하는 구조라, 시험 삼아 만들기 좋거든요.

• 전압: 3V 이하
• 동작 속도: 25kHz(실생활 컴퓨터보단 느리지만, 실험 단계에선 충분)
• 전력 소비: 피코와트(pW, 10⁻¹²W) 단위 — 거의 전기 안 먹습니다!

이 작은 컴퓨터가 제대로 작동하는 모습을 보며, “2D 소재로도 진짜 컴퓨터를 만들 수 있구나”란 사실이 확실해졌죠.

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4. 이제부터가 중요하다

실리콘 칩에 비해 아직은 속도가 느리고, 대량 생산 기술도 더 다듬어야 합니다. 하지만 이 기술이 발전하면…

• 초저전력 웨어러블·IoT 기기
• 휘어지는(플렉시블) 전자책, 스마트 패션
• 우주·의료용 초소형 컴퓨터

등, 우리가 상상도 못 한 분야까지 2D 컴퓨팅이 쓰일 수 있어요. “원자 한 겹으로 세상을 바꾼다”는 말이 허튼소리가 아닌 시대가 멀지 않았습니다.

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5. 더 읽어보기

• Penn State 공식 보도자료: World’s first 2D, non-silicon computer developed
• Nature 논문: A complementary two-dimensional material-based one instruction set computer
• ScienceDaily 기사: Atom-thin tech replaces silicon in the world’s first 2D computer