AI반도체 전력낭비 잡는다…전송효율 '50%→95%' 올린 이 기술
김상현 카이스트(KAIST) 전기및전자공학부 교수
AI 칩 에너지 낭비 줄이는 질화갈륨 기반 기술 개발
"기술이전 통해 상용화 속도…직접 창업도 고려"
"AI(인공지능) 반도체 경쟁은 흔히 '누가 더 빠르게 계산하느냐'에 달렸다고 생각하지만 정작 중요한 승부처는 칩에 전기를 얼마나 효율적으로 공급하느냐에 있습니다."
김상현 KAIST(한국과학기술원) 전기및전자공학부 교수의 말이다. AI 반도체가 소비하는 전력은 갈수록 커지고 있다. 칩 하나가 1㎾급 전력을 쓰는 시대에 전기를 칩까지 보내는 과정에서도 상당한 에너지가 사라진다. 김 교수는 전력 전달 과정에서 전체 전력의 30~40%가 손실될 수 있으며 칩의 전력 소비가 계속 늘면 손실이 절반에 이를 수도 있다고 설명했다.
반도체의 계산 속도를 높이는 데 관심이 집중된 사이, 전기를 전달하는 과정에서 발생하는 에너지 낭비는 상대적으로 주목받지 못했다. 김 교수는 그동안 연구해 온 반도체 구조와 질화갈륨(GaN) 소재 등에서 해법을 찾았다.
전력 손실을 줄이려면 전기를 보내는 방식부터 바꿔야 한다. 같은 양의 전력을 보내더라도 전압이 낮으면 더 많은 전류가 흘러야 하고 이때 전선과 부품에서 열이 발생해 에너지가 낭비된다. 발전소에서 전기를 높은 전압으로 보내고 소비지 근처에서 전압을 낮추는 것도 이 때문이다.
AI 서버도 마찬가지다. 서버에 들어온 전기는 여러 단계를 거쳐 칩이 사용할 수 있는 1볼트 안팎의 낮은 전압으로 바뀐다. 문제는 전압을 낮추는 장치가 지금까지 주로 칩 옆에 수평으로 배치돼 거리가 있었다. 전압을 낮춘 뒤 칩까지 전기를 보내는 거리가 길수록 손실이 커질 수밖에 없다.
김 교수팀은 전압을 낮추는 장치를 칩 바로 아래에 수직으로 배치하는 방식으로 이 문제를 해결했다. 간단히 말해 전기를 높은 전압으로 칩 밑까지 보낸 다음, 그곳에서 전압을 낮춰 곧바로 공급하는 것이다. 전기가 낮은 전압 상태로 이동하는 거리를 줄여 에너지 손실을 최소화하는 원리다.
이 과정에서 핵심 역할을 하는 소재가 '질화갈륨'(GaN)이다. 전압을 낮추려면 전기를 빠르게 켜고 끄는 스위치가 필요한데, 이때 저항이 클수록 전기가 열로 바뀌면서 에너지 손실이 발생한다. 김 교수는 질화갈륨이 기존 실리콘보다 저항을 낮춰 전력 손실을 줄이는 데 유리하다고 설명했다.
김 교수팀은 이 기술을 적용하면 칩에 전력을 전달하는 효율을 기존 50%대에서 85~95%까지 높일 수 있다고 밝혔다. 김 교수는 "칩 하나가 소비하는 전력이 커질수록 절약할 수 있는 전력도 늘어난다"고 말했다.
김 교수팀의 연구 성과는 반도체 소자 분야의 주요 국제 학회인 IEDM과 VLSI 심포지엄에 여러 차례 채택됐다. 연구의 독창성과 기술적 가능성을 국제 학계에서 인정받은 것이다.
김 교수는 "1~2년 전만 해도 비슷한 연구를 하는 곳이 거의 없었지만 최근 질화갈륨 기술력이 강한 중국에서 관련 연구가 빠르게 늘고 있다"며 "기업 중에서는 서버용 CPU(중앙처리장치)를 오랫동안 개발해 온 인텔이 가장 적극적으로 움직이고 있다"고 말했다.
상용화를 위해 해결해야 할 가장 큰 과제는 대량생산이다. 현재는 연산을 담당하는 반도체 칩과 전압을 조절하는 장치를 서로 다른 공정으로 만들어 결합해야 한다. 칩은 기존 실리콘 공정으로, 전압 조절 장치는 질화갈륨 공정으로 각각 생산해야 하기 때문이다. 두 부품을 어떻게 연결하고, 전기를 안정적으로 공급하는 데 필요한 부품을 어디에 배치할지도 추가로 최적화해야 한다.
특히 반도체를 생산하는 파운드리(반도체 위탁생산 업체)가 이 기술에 필요한 공정을 아직 충분히 지원하지 않는 것이 걸림돌이다. 김 교수는 "우선 학교 연구실에서 성능을 입증해 파운드리가 관련 공정 개발에 나설 수 있도록 방향을 제시하는 것이 단기 목표"라며 "회로와 시스템 전체에서 실제 효과를 확인하는 후속 연구도 진행할 계획"이라고 말했다.
사업화는 우선 기술이전을 통해 추진할 계획이다. 기술에 관심 있는 기업이 연구성과를 넘겨받아 개발을 이어가면 상용화 속도를 높일 수 있다는 판단에서다. 기술이전만으로 기업이 원하는 수준의 완성도를 확보하기 어렵다면 교원창업도 고려하고 있다. 김 교수는 "기업은 충분히 검증된 기술을 원하지만 연구실에서 확보한 기술과 기업이 원하는 수준 사이에 간극이 크다면 직접 창업해 기술을 더 발전시키는 것도 방법"이라고 말했다.
김 교수는 오는 29일 서울 삼성동 코엑스 B홀에서 열리는 '2026 K-프리미어 딥테크 페스타'에서 해당 기술을 소개할 예정이다. 그는 "칩 제조사와 패키징 기업을 협력 파트너로 만나고 싶다"고 말했다. 전압 조절 장치를 칩 바로 아래에 배치하려면 두 부품을 하나로 결합하는 패키징 기술이 뒷받침돼야 하기 때문이다.
색소 없이 색 내는 신기술…위변조 방지 넘어 예술시장까지 넘본다
김신현 카이스트(KAIST) 생명화학공학과 교수
환경·퇴색 걱정 없는 구조색 기술 개발로 주목
"위변조 방지부터 예술 소재까지 활용처 다양"
종이에 인쇄한 그림도, 건물 외벽의 페인트도 시간이 지나면 빛이 바랜다. 색을 내는 화학 색소가 자외선에 오래 노출되면 분자 구조가 바뀌는 탓이다.
김신현 카이스트(KAIST·한국과학기술원) 생명화학공학과 교수는 이 문제를 색소가 아닌 '구조'로 풀었다. 간단히 말해 그 자체로는 색이 없는 투명한 소재에 머리카락 굵기 10분의 1 수준의 반구형 미세구조를 새겨 색을 낸다. 김 교수는 "구조만 유지되면 색이 영구적으로 지속돼 퇴색 걱정이 없다"며 "색소를 합성하는 과정의 환경 문제나 인체 유해성도 덜 수 있어 지속가능성 측면에서도 의미가 있다"고 말했다.
구조색은 몰포나비 날개나 오팔처럼 물질 내부의 규칙적인 구조가 빛을 간섭시켜 나타나는 색을 말한다. 같은 소재라도 구조만 바꾸면 다양한 색을 낼 수 있다.
김 교수는 학생 시절부터 20년 넘게 구조색 연구라는 한 우물을 파왔다. 100나노미터(㎚) 크기 입자를 3차원으로 배열하는 기존 기술은 한국조폐공사와 함께 개발해 강원랜드 카지노칩 등에 이미 적용됐다. 다만 공정이 까다롭고, 한 가지 색 패턴은 쉬워도 여러 색이 섞인 정교한 그래픽을 만들기는 어려웠다.
새 기술은 색을 만드는 방식부터 바꿨다. 김 교수는 "자연을 모방한 기존 방식과 달리 자연계에 없는 원리를 이용했다"고 말했다. 이 기술은 지름 10마이크로미터(㎛) 안팎의 작은 반구를 뒤집어 놓은 형태를 활용한다. 빛이 반구의 옆면으로 들어오면 둥근 표면을 따라 반사돼 되돌아간다. 이때 서로 다른 경로를 지나온 빛이 만나 간섭하면서 특정한 색이 나타난다. 색을 바꾸기 위해 별도의 색소나 재료를 사용할 필요도 없다. 반구의 크기만 바꾸면 다른 색을 만들 수 있다. 크기가 다른 반구를 다양하게 섞어 배열하면 물감을 혼합하듯 훨씬 다채로운 색을 구현할 수 있다.
제작에는 반도체 생산에 쓰이는 공정을 활용했다. 먼저 자외선에 반응하는 고분자를 이용해 미세한 기둥을 만든 뒤 열을 가한다. 그러면 고분자가 녹아내리면서 표면이 둥글게 변해 반구 형태가 된다. 반구의 크기와 위치를 미리 설계할 수 있어 한 번의 공정만으로 원하는 위치에 원하는 색을 구현할 수 있다는 것이 장점이다.
연구팀은 이 기술로 조선시대 '일월오봉도'를 손톱 크기에 재현했다. 해상도는 최신 LED 디스플레이에 준하고, 대형 스크린에 투영할 수도 있다. 한쪽 방향에서만 색이 보이고 반대편에서는 투명한 '야누스' 특성도 지녔다. 김 교수는 "기존 기술로는 어려웠던 고해상도 컬러 그래픽을 구조색만으로 만들 수 있다는 게 가장 큰 특징"이라고 설명했다. 손채림 연구원이 제1저자로 참여한 이 연구는 지난해 2월 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 실렸다.
김 교수는 구조색이 화학 색소를 그대로 대체하기보다 고유의 시장을 찾아야 한다고 말했다. 발색 원리가 달라 색감 자체가 다르기 때문이다. 그는 특정 용도를 겨냥해 개발한 기술은 아니라면서도 여러 활용처를 꼽았다. 이를테면 보는 각도에 따라 색이 변하고 육안으로 보이지 않는 미세 문자를 새길 수 있어 정품 인증 같은 위변조 방지 소재로 쓸 수 있다. 빛의 경로를 정밀하게 제어하는 특성을 살리면 광학 소자나 센서로도 응용할 수 있다.
김 교수는 "과학적인 표현은 아니지만 실제로 보면 정말 예쁘다"며 "고급스러운 느낌이 필요한 프리미엄 패키징이나 인테리어 소품, 굿즈, 차량 실내 소재에도 어울린다"고 말했다.
김 교수가 개인적으로 가장 기대하는 기술이전 분야는 예술 산업이다. 물감 대신 구조색을 활용해 손톱만 한 크기의 작품을 만들고, 이를 현미경으로 확대해 감상하거나 벽면에 투영해 전시하는 방식이다. 김 교수는 "기존에 없던 새로운 형태의 예술 장르가 될 수 있다"며 "앞으로 작가들과 협업하는 방안도 고려하고 있다"고 말했다. 작품마다 미세 구조를 다르게 설계해야 하는 만큼 대량생산 제품과 차별화된 한정판 예술 작품으로서의 가치도 기대할 수 있다.
남은 과제는 사업화 파트너 발굴과 양산 체계 구축이다. 예술품과 달리 패키징·보안 소재는 대량생산이 관건이어서다. 김 교수는 "학교 단독으로는 어렵고, 기술에 진짜 관심 있는 기업을 찾아 함께 가는 게 중요하다"고 밝혔다. 다행히 공정이 디스플레이용 필름으로 이미 대량생산되는 마이크로렌즈 어레이와 비슷해 양산 문턱은 상대적으로 낮다는 설명이다. 보안인쇄·디스플레이·화장품·명품 패키징 업체와 포토카드 굿즈를 만드는 엔터테인먼트사, 스마트카 기업이 눈여겨볼 만한 기술이다. 김 교수는 오는 29일 서울 코엑스B홀 플러스 스테이지에서 열리는 'K-프리미어 딥테크 페스타'에서 이 기술을 직접 소개할 예정이다.
<'K-프리미어 딥테크 페스타(기술이전·사업화)' 참가신청>
-일시: 2026년 10월 29일(목) 오후 1시
-장소: 서울 삼성동 코엑스 B홀 PLUS STAGE
-참가 대상: 기술이전·공동연구·신사업을 검토하는 기업, 출연연 패밀리기업, 투자사
-참가비: 무료 (사전 등록 필수)
-주최: 과학기술정보통신부, KAIST, GIST, DGIST, UNIST, 머니투데이 유니콘팩토리
-후원: 한국과학기술정보연구원(KISTI), 과학기술사업화진흥원(COMPA)
-신청: https://vvd.bz/buvX
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