우리 연구진이 스커미온 기반 초저전력 소자 핵심기술 개발에 성공했다. 차세대 반도체 소자인 뉴로모픽 소자, 로직 소자 등 개발에 기여할 전망이다.
한국표준과학연구원(원장 박현민)은 양자기술연구소 양자스핀팀이 스커미온 기반 전자소자 구현 핵심기술을 개발했다고 5일 밝혔다.
스커미온은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀 구조체다. 수 나노미터(㎚)까지 크기를 줄일 수 있으며 매우 작은 전력으로도 이동할 수 있다. 기존 전자소자 대비 100분의 1 수준 전력을 소비하는 초저전력 소자 대표 주자다.
스커미온을 전자소자로 개발하려면 개별 스커미온을 제어하는 생성·삭제·이동·검출 네 가지 기술이 필요하다. 일부 조합을 각각 실험 구현하는 것은 가능했지만 생성 원인을 정확하게 규명하지 못해 네 가지를 한 번에 실험 증명한 적은 없다. 소자 개발에 한계가 있었다.
연구팀은 3차원 수직 전극 구조 기반 스커미온 생성 및 삭제 방식을 실험적으로 구현하는 데 성공했다. 산화층 내부에 3차원 수직 전극 역할을 하는 필라멘트가 형성되는 것을 이용, 자성체 특정 위치에 전류를 주입했다. 이때 스커미온이 쉽게 생성 및 삭제되는 것을 발견했다. 이를 기존 스커미온 이동 기술과 접합시켜 소자 하나에 자유로운 스커미온 생성·삭제·이동 기술을 동시에 구현했다.
이 기술은 스커미온 소자를 실험으로 세계 최초 구현했다는 점에서 큰 의미를 가진다. 국내 대기업에서 개발하는 'M램(자성 반도체)' 기술에도 쉽게 적용할 수 있다. M램은 자기장의 밀고 당기는 현상으로 데이터를 처리하고 저장한다. 이론상 D램보다 1000배 이상 뛰어나다.
황찬용 양자기술연구소 책임연구원은 “이번 성과는 차세대 반도체 기술 개발에 핵심적인 역할을 할 수 있을 것”이라며 “향후 스커미온 개수 제어를 활용한 시냅스 소자 등 응용연구와 지금까지 거의 실험이 불가능했던 양자 스커미온 분야 연구를 시도할 계획”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 차세대지능형반도체기술개발사업 등의 지원을 받았다. 표준연 양자기술연구소 양자스핀팀과 홍정일 DGIST 신물질과학전공 교수팀이 공동 참여했다. 세계적인 학술지인 어드밴스드 머티리얼스에 지난 달 27일 온라인 게재됐다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
