Wi-Fi 신호를 전기로 변환 성공..."스핀트로닉스 원리 이용"

Wi-Fi(와이파이)로 이용되고 있는 2.4 GHz대의 전자파를 스핀트로닉스(Spintronics) 원리로 효율적으로 송수신하는 기술이 개발됐다. 특히 이 기술은 전자파를 직류전압 신호로도 변환해 LED를 발광시키는 데도 성공했다.

도호쿠대학교(Tohoku University) 전기통신연구소와 싱가포르국립대학(National University of Singapore) 공동 연구팀이 개발한 이 기술은 스핀트로닉스 원리를 이용한 기능성 소자의 대표적인 사례다.

연구팀은 이중 터널 장벽을 가진 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction)이라는 스핀트로닉스 소자를 이용해 와이파이 전파로 발전시켰다.

연구 결과(논문명: Electrically connected spin-torque oscillators array for 2.4 GHz WiFi band transmission and energy harvesting)는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, 피인용지수 IF=11.878)에 5월 18일(현지시각) 실렸다.

스핀트로닉스란 회전(Spin)과 전자(Electronics)의 합성어로 전자의 물리적 회전 현상을 이용한 새로운 개념의 정보 기술이다. 즉 자성체의 자기 상태를 전기적으로 제어해 정보를 처리하고 저장하는 기술이다.

즉 전자공학과 자기공학으로 나뉘어 이용되던 전자의 전기적 성질(전하)과 자기적 성질(스핀)을 동시에 이용해 발현되는 새로운 현상을 밝혀내고 공학적으로 이용하고자 하는 학문 분야다.

그동안 과학기술계는 도체(금속)와 반도체 간 전기 전도율이 달라 '스핀 트랜지스터'를 실현할 수 없을 것으로 보았지만 최근 들어 스핀을 이용한 트랜지스터 소자를 개발해 차세대 반도체 구현을 눈앞에 두고 있다.

자기터널접합은 두 강자성층(ferromagnetic layer) 사이에 얇은 절연막(insulating layer)을 넣은 구조로, 절연막이 매우 얇으면 전자가 한 강자성층에서 다른 강자성층으로 터널링(tunneling)을 통해 이동할 수 있게 되는데, 터널링에 의해 흐르는 전류는 두 강자성층이 같은 방향으로 자화되어 있을 때 크고 반대 방향으로 자화되어 있을 때 작다.

자기터널접합(MTJ)은 차세대 메모리로 주목받고 있는 STT램에서 정보를 저장하는 물질로 공정 미세화에 자유로우며, 전력 공급이 없어도 정보를 계속 보관하는 비휘발성인 특징도 갖고 있

자기터널접합 소자는 이미 자계(Magnetic Field) 센서나 비휘발성 메모리에서는 실용화되고 있는 것으로, 전자파 송수신에 대한 응용도 연구가 진행되고 있다. 하지만 Wi-Fi 주파수 대역에서 고강도의 신호를 만들어내는 성능에는 도달하지 못했다.

하지만 이번에 연구팀은 소자 구조의 일부인 '자유층'의 막 두께 형상을 정밀하게 제어해 미약한 입력으로도 큰 출력을 얻는 데 성공, 2.4GHz대 전파에서 발전을 성공했다. 연구팀의 실증 실험에서는 콘덴서가 3~4초 만에 충전되어 LED를 1분 동안 밝힐 수 있었다.

Wi-Fi는 세상 곳곳에서 이용한다. 이는 곧 2.4GHz대 전파가 사방에서 존재한다는 얘기다. 이는 Wi-Fi 전자신호를 전력으로 바꿀 수 있다면 스마트폰을 포함해 휴대나 착용이 가능한 전자통신기기 사용에 획기적인 전환점을 가져올 수 있다.

김들풀 기자 itnews@