韓 연구진, 스핀 조절 성공…차세대 반도체 개발 열쇠 될까

[서울=뉴시스] 과학기술정보통신부는 김영근 고려대 교수 연구팀과 남기태 서울대 교수 연구팀이 자성을 갖는 카이랄 나선 구조를 통해 상온을 포함한 넓은 온도 범위에서 스핀을 조절할 수 있는 기술 원리를 확인했다고 4일 밝혔다. 왼쪽부터 고려대 김영근 교수, 정은진 연구원, 전유상 박사, 서울대 남기태 교수. (사진=과기정통부 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스] 심지혜 기자 = 국내 연구진이 전자의 스핀을 선택적으로 이동 시키는 기술 개발에 성공했다. 세계 최초로 외부 자기장이나 극저온 장치 없이도 스핀 방향을 조절할 수 있는 새로운 자성 나선 구조를 만들면서 가능해졌다.

스핀의 선택적 이동은 전기를 더 효율적으로 쓰고 정보를 빠르고 명확하게 전달할 수 있어 차세대 반도체와 양자컴퓨터를 위한 중요한 기술로 여겨진다.

과학기술정보통신부는 김영근 고려대 교수 연구팀과 남기태 서울대 교수 연구팀이 자성을 갖는 카이랄 나선 구조를 통해 상온을 포함한 넓은 온도 범위에서 스핀을 조절할 수 있는 기술 원리를 확인했다고 4일 밝혔다.

전자는 질량, 전하, 스핀이라는 세 가지 주요 속성을 가지고 있다. 기존의 전자기기는 전하의 흐름인 전류에만 의존해 왔는데 반도체 물성제어 한계의 도약으로써 전하 뿐만 아니라 스핀까지 활용하는 새로운 정보 처리 기술인 스핀트로닉스 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

스핀은 전자가 갖는 고유의 자기적 성질이다. 양자역학적으로 ‘업(↑)’, ‘다운(↓)’ 두 상태를 갖는다. 스핀트로닉스 기술은 두 가지 스핀 상태를 제어하고 감지하는 것이 핵심이다. 이 기술은 전기가 꺼져도 정보가 남는 비휘발성 메모리인 자성메모리(MRAM)의 핵심 기술이자, 차세대 정보 소자 기술로 주목 받고 있다.

카이랄은 오른손, 왼손처럼 거울대칭으로 방향이 반대여서 겹칠 수 없는 구조다. DNA 분자가 대표적인 예다. 똑같은 조성의 물질도 완전히 다른 특성을 나타내 물리학, 화학, 광학, 생명과학 분야에 접목하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

[서울=뉴시스] 카이랄 자성 나노 나선의 모식도. (사진=과기정통부 제공) *재판매 및 DB 금지

최근에는 외부 자기장에 반응할 수 있는 카이랄 소재들이 스핀트로닉스 소자로 활용되면서 전하 대신 스핀을 이용, 더 낮은 에너지 소모로 동작할 수 있는 차세대 소자로의 적용 가능성이 주목 받았다.

카이랄 스핀트로닉스는 비대칭적 구조가 전자의 스핀을 제어할 수 있다는 신개념 기술이지만 유기분자에서만 효과가 나타났지만, 실제 산업화 소자로 사용하기에는 낮은 안정성, 높은 전기적 저항이 큰 한계로 인식되고 있다. 이를 해결하기 위해 자성 소재를 기반으로 하는 카이랄 소재를 스핀트로닉스 소자로 적용하고자 하는 아이디어가 나왔지만 기술적 한계가 있었다.

연구팀은 금속 결정화 과정을 전기화학적으로 조절해 ‘카이랄 자성 나노 나선 구조’를 제작하는 데 성공했다.

나선 구조의 카이랄 나노소재를 이용해 고체소자를 제작하고 저온과 상온에서 스핀 수송 특성을 확인했으며, 기존 유기분자 기반 시스템 대비 높은 카이랄 스핀트로닉스 효과를 최초로 규명하는 데 성공했다. 이는 무기물에서 매우 드문 성과다.

이러한 카이랄 자성 나노 나선 구조에서는 특정 스핀만 잘 통과시키고, 반대 방향은 막는 현상을 실험적으로 입증했다. 3차원 나노 나선 구조 자체만의 회전성으로 스핀을 선택적으로 걸러내고 이동시킬 수 있음을 밝혀낸 최초의 결과이다. 추가로, 자성 나노 나선이 본래 가지고 있는 자성 덕분에, 이 구조를 통과한 스핀이 상온에서도 멀리 이동할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 나노 나선이 회전하는 자기장 속에서 스스로 전압(기전력)을 만들어내는 성질을 이용해 카이랄성을 정량적으로 확인하는 새로운 방법을 개발했다.

김영근 교수는 "자성체는 그 자체로 전자의 스핀을 정렬하는 능력이 있어 카이랄 구조에 의한 스핀의 흐름 조절이 가능하다”라며 “이번 연구로 그동안 이론과 실험으로 보고된 카이랄 스핀트로닉스 원리를 보다 더 이해하는 계기가 됐다”라고 강조했다.

남기태 교수는 "유기물과 달리 금속의 경우, 나노스케일에서 카이랄성을 제어하는 것은 중요한 과학적 난제이다. 분자를 이용한 나선의 꼬인 방향성을 제어한 최초의 결과”라고 의의를 했다.

이번 연구는 과기정통부 국가반도체연구실지원핵심기술개발사업과 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행했다. 이번 연구 성과는 세계 최고권위의 국제학술지 사이언스(Science)에 5일(현지시간 오후 2시) 게재됐다.

☞공감언론 뉴시스 siming@newsis.com

▶ 네이버에서 뉴시스 구독하기
▶ K-Artprice, 유명 미술작품 가격 공개