한국표준과학연구원 양자기술연구소 양자스핀팀은차세대 반도체 소자인 뉴로모픽 소자, 로직 소자 등의 개발에 획기적인 기여를 할 스커미온 기반 전자소자를 구현할 핵심기술을 개발하는 데 성공했다.
인공지능, 슈퍼컴퓨터 등은 ‘전기 먹는 하마’라고도 불릴 만큼 전력 소모가 크다. 2016년 알파고가 바둑 한판을 둘 때 소모한 전력은 약 1 메가와트로, 일반 가정집 100가구가 하루에 사용하는 전력사용량과 비슷하다.
스커미온은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀 구조체로, 수 나노미터까지 크기를 줄일 수 있으며 매우 작은 전력으로도 이동할 수 있어 초저전력 소자의 대표 주자로 꼽히고 있다.
스커미온을 이용한 전자소자는 자성의 N극, S극을 이용해 1이나 0을 기록했던 전자소자에 비해 100분의 1 수준의 전력을 소비할 수 있어 경제적이다.
현재까지 스커미온을 응용하는 전자소자 연구는 대부분 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 진행됐다.
스커미온 기반의 전자소자를 상용화하려면 실제 실험으로 증명하는 것이 필요하기에 응용 가능성이 큰 소자 개발에는 한계가 있었다.
양자스핀팀은 평면 상태의 2차원에 국한돼 광·전류·자기장·전기장 등 외부의 강한 자극으로 스커미온을 생성 및 삭제하는 방식을 뛰어넘어, 3차원 수직 전극 구조를 기반으로 한 새로운 스커미온의 생성 및 삭제 방식을 실험적으로 구현하는 데 성공했다.
연구팀은 산화층 내부에 3차원 수직 전극 역할을 하는 필라멘트가 형성되는 것을 이용해 자성체의 특정 위치에 전류를 주입했고, 이때 스커미온이 쉽게 생성 및 삭제되는 것을 발견했다.
이를 기존의 스커미온 이동 기술과 접합시켜 하나의 소자에서 스커미온의 자유로운 생성·삭제·이동 기술을 동시에 구현했다.
이번 기술은 국내 대기업에서 개발하고 있는 M램(Magnetic RAM : 자성 반도체로 불리며, 자기장의 밀고 당기는 현상을 활용해 데이터를 처리하고 저장함. 이론적으로 D램보다 집적도가 1000배 이상 뛰어난 반도체 제조 가능) 기술에도 쉽게 적용할 수 있으며, 2013년 노벨물리학상 수상자인 Albert Fert 박사가 이론적으로 제시한 스커미온 소자(Skyrmion racetrack memory)를 세계 최초로 실험으로 구현하는 데 성공했다는 점에서 더욱 큰 의미를 가진다.
한국표준과학연구원 양자기술연구소 황찬용 책임연구원은 “이번 성과는 차세대 반도체 기술 개발에 핵심적인 역할을 할 수 있을 것”이라며, “향후 스커미온 개수 제어를 활용한 시냅스 소자 등의 응용연구와 지금까지 거의 실험이 불가능했던 양자 스커미온 분야 연구를 시도할 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구성과는 세계적인 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF: 30.849)에 지난 9월 27일 온라인 게재됐다.