[이현우 교수] 반도체 발열 문제, 양자 파동으로 해결한다

국내 연구진이 차세대 반도체 기술인 스핀트로닉스와 오비트로닉스의 단점을 보완할 기술을 개발했다. 

김세권 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수와 이현우 포스텍(포항공대) 물리학과 교수가 이끄는 공동 연구진은 전자의 발열 없이 정보 전달이 가능한 ‘마그논’의 새로운 움직임을 관찰하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

기존 정보처리 기술은 전자를 이용해 정보를 처리하기 때문에 에너지가 많이 손실된다. 전자가 도체를 이동하면서 발생하는 저항에 의해 에너지가 열로 바뀌어 사라지기 때문이다. 전자의 전기량인 전하와 자기적 회전인 스핀을 함께 활용하는 스핀트로닉스, 전자의 위치를 의미하는 오비탈을 이용하는 오비트로닉스 같은 차세대 반도체 기술이 모두 같은 문제를 가지고 있다.

최근에는 양자화된 파동인 ‘마그논’을 이용해 이 같은 문제를 해결할 수 있을 것이라는 기대가 나오고 있다. 부피와 질량이 있는 전자를 이용하면 발열이 생기지만 파동을 이용하면 발열 없이 정보처리가 가능하다. 다만 아직 마그논의 움직임에 대한 연구가 부족해 이를 반도체 같은 정보처리 기술에 적용하기에는 어려운 상황이다.

연구진은 2D(평면) 물질에서 세계 최초로 ‘마그논 오비탈 홀 효과’를 발견했다. 마그논 오비탈 홀 효과는 스핀 파동이 양자화돼 진행 궤적이 휘어지는 현상이다. 2010년 처음 발견돼 이전에는 모르던 새로운 마그논의 움직임으로 확장한다는 점에서 큰 주목을 받았다. 이전에는 전자의 회전 운동인 스핀 자유도만 이용할 수 있었으나 새로운 움직임으로 정보처리가 가능하다는 점에서 중요성이 크다.

연구진은 벌집 모양의 격자 구조를 이루는 삼황화린망간(MnPS₃)에서 강한 마그논 오비탈 홀 효과가 나타난다는 것을 확인했다. 삼황화린망간은 2D(평면) 반강자성체로 마그논 오비탈 효과가 확인된 것은 이번이 처음이다. 반강자성체는 인접한 원자의 전자 스핀이 정 반대로 자성이 없는 물질이다. 스핀트로닉스와 오비트로닉스를 구현할 수 있는 재료로 주목 받고 있다. 

김 교수는 “마그논 오비탈과 수송이론의 정립은 아직 세계적으로 아무도 시도하지 않은 독창적이고 도전적인 문제”라며 “기존 정보처리 기술의 한계를 혁신적으로 뛰어넘는 초저전력 오비탈 기반 정보처리 기술의 기틀을 세울 수 있을 것ˮ이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘나노 레터스’에 지난달 29일 소개됐다.

Nano Letters(2024), DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00430