전력 100분의1로 데이터 처리, 차세대 초저전력 소자 나온다

국내 연구진이 대용량 데이터를 아주 적은 전력으로 처리할 수 있는 차세대 반도체 소자의 핵심 기술을 개발했다. 한국표준과학연구원은 황찬용 박사 연구팀이 홍정일 DGIST(대구경북과학기술원) 교수팀과 공동으로 차세대 초저전력 소자로 주목받고 있는 '스커미온 기반의 전자소자'를 구현할 핵심 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

스커미온은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀(전자가 자기장에 대해 회전운동을 하는 물성) 구조체로, 수 나노미터 크기까지 크기를 줄일 수 있고, 매우 작은 전력으로 이동할 수 있다. 스커미온을 이용한 전자소자는 일반 전자소자와 달리 100분의 1 수준으로 전력을 소비할 수 있어 경제적이다. 스커미온 전자소자를 개발하려면 단일 소자 내에 개별 스커미온을 제어하는 생성, 삭제, 이동, 검출의 네 가지 기술을 구현해야 하는 데, 스커미온 생성과 소멸에 대한 원인을 규명하지 못해 하나의 소자에서 네 가지 기술을 모두 구현하기 어려웠다.

이 때문에 대부분 컴퓨터 시뮬레이션으로 기반으로 스커미온 전자소자 관련 연구가 이뤄져 왔다.

연구팀은 3차원 수직 전극 구조를 기반으로 새로운 스커미온의 생성과 삭제 방식을 실험적으로 구현하는 데 성공했다.

산화층 내부에 3차원 수직 전극 역할을 하는 필라멘트가 형성되는 것을 이용해 자성체의 특정 위치에 전류를 주입했을 때, 스커미온이 쉽게 생성되고 삭제되는 것을 발견했다. 이를 스커미온 이동 기술과 결합시켜 하나의 소자에서 스커미온의 자유로운 생성, 삭제, 이동 기술을 동시에 구현한 것이다.

이 기술은 국내 대기업에서 개발하고 있는 M램(자성 반도체, D램보다 집적도가 1000배 이상 높은 반도체) 기술에 쉽게 적용할 수 있으며, 2013년 노벨물리학상 수상자인 알버트 퍼트 박사가 이론적으로 제시한 스커미온 소자를 세계에서 처음으로 실험으로 구현한 연구결과라고 연구팀은 설명했다.

황찬용 표준연 박사는 "이번 성과는 차세대 반도체 소자인 뉴로모픽 소자, 로직 소자 등의 개발에 핵심적 역할을 할 것"이라며 "앞으로 지금까지 거의 실험이 불가능했던 양자 스커미온 분야 연구를 추진하겠다"고 말했다. 이번 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(지난달 27일자)' 온라인에 실렸다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr