실리콘의 벽 넘은 산화인듐… 배터리 걱정 없는 ‘불멸의 AI 스마트폰’ 시대 열린다

반도체 산업은 지난 수십 년간 실리콘(Silicon, Si)을 중심으로 발전해왔다. 선폭을 줄이고 트랜지스터(Transistor)를 더 촘촘히 집적하면서 성능을 끌어올렸다. 하지만 선폭이 수 나노미터(Nanometer) 수준으로 내려오면서 문제가 분명해졌다. 트랜지스터가 작아질수록 ‘꺼져 있어야 할 때’도 전류가 새어 나오는 누설 전류를 완벽히 통제하기가 어려워진 것이다. 이 누설 전류는 곧 전력 소모 증가로 이어진다. 특히 인공지능(AI) 기능을 상시 구동해야 하는 모바일 기기나 엣지 기기(Edge Device, 데이터가 발생하는 현장에서 데이터를 수집, 처리, 분석하여 클라우드 서버로 전송하기 전에 로컬에서 즉시 처리하는 하드웨어)에서는 배터리 소모를 가속하는 요인이 된다. 미세화는 계속되지만, 전력 효율은 점점 더 어려운 과제가 되고 있다.

최근 미 반도체 전문 매체인 세미엔지니어링(SemiEngineering)이 관련 아티클을 게재해 산화인듐 채널(Channel) 기술을 집중 조명했다. 이 같은 한계 속에서 최근 산화인듐(Indium Oxide, In₂O₃) 기반 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT)가 새로운 대안으로 부상하고 있다. 핵심은 간단하다. 기존 실리콘 채널보다 훨씬 낮은 온도에서 제조가 가능하고, 오프 상태(Off-state)에서의 누설 전류가 거의 제로에 가깝다는 점이다. 트랜지스터가 꺼져 있을 때 전류가 거의 흐르지 않는다는 것은, 대기 상태에서의 전력 손실이 극히 낮다는 의미다. 이는 초저전력 설계의 출발점이 된다.


산화인듐은 비교적 낮은 온도에서 박막(Thin Film)을 형성할 수 있다. 이는 공정 비용 절감뿐 아니라, 기존 실리콘 공정 위에 추가로 적층하기에도 유리한 조건을 만든다. 더 중요한 것은 전기적 특성이다. 오프 상태에서의 전류 차단 능력이 뛰어나기 때문에 대기 전력 소모를 크게 줄일 수 있다. AI 연산은 순간적인 고성능 연산뿐 아니라, 상시 대기와 반복적인 소규모 추론(Inference)을 포함한다. 이런 환경에서 누설 전류가 낮다는 것은 곧 배터리 지속 시간을 늘릴 수 있다는 뜻이다. 모바일 AI 칩과 웨어러블(Wearable) 기기, 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 센서에서 특히 매력적인 특성이다.

엣지 환경(Edge Environment, 데이터가 생성되는 물리적 위치와 매우 가까운 곳에서 데이터의 수집, 저장, 처리가 이루어지는 분산형 컴퓨팅 인프라)에서는 데이터센터(Data Center)처럼 무제한 전력을 사용할 수 없다. 스마트폰, 스마트 글래스(Smart Glass), 자율주행 센서 모듈 등은 모두 전력 예산이 제한돼 있다. AI 기능을 상시 가동해야 하는 시대에, 전력 효율은 곧 제품 경쟁력이다. 산화인듐 채널 기반 트랜지스터는 대기 전력 손실을 줄이고, 필요한 순간에만 연산 자원을 활성화하는 설계를 가능하게 한다. 이는 단순한 소재 변화가 아니라, 시스템 전력 구조를 다시 짜는 계기가 될 수 있다. 초저전력 특성을 바탕으로 항상 켜져 있는 엣지 AI(클라우드 서버에 의존하지 않고 스마트폰, 카메라, 센서와 같은 기기(edge) 자체에서 직접 AI 알고리즘을 실행하고 판단하는 기술)를 현실화하는 기반이 된다.


산화물 반도체는 그동안 주로 디스플레이 구동용 TFT에 사용돼 왔다. 그러나 최근 논의는 한 단계 더 나아가고 있다. 산화인듐을 로직(Logic) 반도체의 백엔드(Back End Of Line, BEOL)인 배선 공정 상부 층에 직접 적층하는 3차원 구조가 거론되고 있다. 이는 기존 로직 위에 추가적인 트랜지스터 층을 쌓아 올리는 방식이다. 이 구조가 실현되면 메모리와 로직 사이의 물리적 거리가 줄어들고, 데이터 이동에 따른 병목 현상도 완화될 수 있다. 단순한 저전력 소자를 넘어, 3D 집적 구조의 핵심 재료로 자리 잡을 가능성이 제기된다.


반도체 산업은 평면 미세화에서 수직 적층으로 무게 중심을 옮기고 있다. 성능 향상의 열쇠가 더 이상 선폭 축소에만 있지 않기 때문이다. 산화인듐 채널은 낮은 공정 온도와 우수한 전기적 특성 덕분에 기존 실리콘 로직 위에 직접 쌓을 수 있는 유력 후보로 평가받는다. 이는 메모리와 연산을 더 가깝게 붙여 데이터 이동 비용을 줄이려는 차세대 아키텍처(Architecture) 전략과 맞닿아 있다. 실리콘은 여전히 반도체의 중심이지만, 모든 역할을 혼자 감당하기에는 한계가 분명해지고 있다. 산화인듐은 그 빈틈을 파고드는 소재다. AI가 상시 작동하는 시대, 전력을 덜 쓰면서도 더 유연하게 적층할 수 있는 재료가 필요하다. 산화인듐 채널 기반 초저전력 반도체는 그 요구에 대한 가장 현실적인 해답 중 하나로 부상하고 있다.


이교관 글로벌이코노믹 기자 yijion@g-enews.com