- 스핀트로닉스 기술 혁명 이끌 스커미온 트랜지스터 세계 최초 구현 -

- 차세대 초저전력 소자 개발 앞당길 기반기술, 스커미온 흐름 제어 가능해져 -

#2016년 알파고가 바둑을 둘 때 소모한 전력은 가정집 100가구의 하루 전력소모량과 맞먹고, 2021년 테슬라가 발표한 자율주행용 인공지능은 학습을 위한 서버 한 대의 전력소모량이 알파고의 10배를 넘는다. 에너지 위기의 시대, 초저전력·고성능을 특징으로 하는 스핀트로닉스 기술 혁명이 기다려지는 이유다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 스커미온을 제어하는 트랜지스터를 세계 최초로 구현했다. 초저전력 차세대 소자 개발에 쓰일 수 있는 핵심 기반기술로 양자·AI 연구에 활용이 기대된다.

? 스커미온(Skyrmion)은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀 구조체로, 수 나노미터까지 크기를 줄일 수 있으며 매우 작은 전력으로도 이동할 수 있어 차세대 스핀트로닉스(Spintronics) 소자 응용기술의 대표주자로 꼽힌다.

▲ KRISS 양자스핀팀

(왼쪽 위부터 시계방향으로 양승모 선임연구원, 주태성 학생연구원, 손종완 post-doc 연구원, 문경웅 책임연구원, 황찬용 책임연구원)

21세기 전자공학이 급격히 발전한 계기는 1947년 미국 벨 연구소의 트랜지스터 발명이었다. 트랜지스터가 전자공학에서 전류의 증폭기이자 스위치 역할을 하기 때문이다. 이 때문에 2009년 스커미온이 처음 발견된 후 많은 연구자들이 트랜지스터의 스커미온 버전 개발에 주력했지만 스커미온의 이동을 제어하는 핵심기술의 부재로 달성하지 못했다.

이번에 개발된 스커미온 트랜지스터는 자성체에서 나오는 스커미온의 이동을 전기적으로 제어하는 독자 기술을 바탕으로 해 일반 트랜지스터가 전류를 제어하듯이 스커미온을 흐르거나 멈추게 할 수 있다.

▲ 실험에 사용된 3차원 스커미온 소자 구조

자성 스커미온의 움직임 조절은 스커미온 에너지를 결정하는 자기이방성(magnetic anisotrophy)의 제어가 관건이다. 기존 연구에서는 소자 내 산소의 움직임을 이용하는 방식을 시도했지만 자기이방성을 균일하게 제어하기 어려웠다. KRISS 양자스핀팀은 산화알루미늄 절연체 내부의 수소를 활용해 자기이방성을 균일하게 제어하는 핵심기술을 개발해, 그간 이론상으로만 제안됐던 스커미온 트랜지스터 소자를 세계 최초로 실험을 통해 구현하는 데 성공했다.

▲ 연구진이 스커미온 이미징을 위한 자기 현미경의 광학 정렬을 맞추고 있다

이번 성과는 2021년 KRISS가 개발한 스커미온의 생성·삭제·이동 기술에 이어 스커미온 소자 개발을 위한 또 다른 핵심 기반기술이다. 전자공학의 가장 중요한 소자 중 하나인 트랜지스터를 스커미온으로 구현함에 따라, 기존 전자소자에 비해 소비전력·안정성·속도 측면에서 대폭 유리한 뉴로모픽 소자, 로직 소자 등 스커미온 기반 소자들의 개발을 앞당길 전망이다.

황찬용 KRISS 양자기술연구소장은 “국내 대기업에서도 기존 실리콘 반도체의 한계 극복을 위해 스핀트로닉스를 이용한 차세대 반도체에 눈을 돌리고 있다”며 “앞으로도 스커미온 관련 기반기술을 추가로 개발해, 차세대 반도체 소자 및 양자기술에 응용할 수 있는 수준으로 발전시킬 예정”이라고 말했다.

양승모 선임연구원은 “트랜지스터가 20세기 디지털 혁명을 견인했다면, 스커미온 트랜지스터는 21세기 스핀트로닉스 기술 혁명의 단서가 될 것”이라며 기대감을 밝혔다.

▲ 스커미온 트랜지스터를 통한 스커미온의 전기적 제어 이미지(권두삽화 선정)

한국연구재단 차세대지능형반도체기술개발사업, 중견연구자지원사업, 우수연구자교류지원사업의 지원을 받은 이번 연구는 KRISS 양자기술연구소 양자스핀팀과 건국대학교 박배호 교수팀, 부산대학교 박성균 교수팀, UNIST 한희성 박사가 공동으로 참여했다. 해당 성과는 작년 12월 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF: 32.086)에 권두삽화 논문(frontispiece)으로 게재됐다.