세계 최초 차세대 반도체 ‘소자 기술’ 개발

[중소기업투데이 이상영 기자] 초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현하기 위한 ‘스핀 트로닉스’ 기술을 한 단계 성장시키는 원동력으로 위상적 ‘솔리톤’이라는 구조체가 꼽힌다. 최근 기초과학연구원은 이를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 ‘초고속 비휘발성 메모리 소자 기술’을 개발했다.

즉, 차세대 반도체를 위한 초고속 비휘발성 메모리 소자 기술이 국내에서 개발된 것이다.

기초과학연구원은 “‘뒤틀림 자성체’를 이용, 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다”고 밝혔다.

여기서 ‘스핀트로닉스’는 성장 한계에 부딪힌 기존 반도체 기술의 근본적인 문제점들을 전자의 양자적 성질인 스핀을 이용해 해결하고자 하는 연구 분야다. 이는 기존 정보처리 기술을 혁신적으로 발전시켜 초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대된다.

한편 ‘솔리톤’은 그 특정한 구조가 주변과 상호작용을 통해 사라지지 않고 계속 유지하는 현상을 말한다. 이에 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자를 개발한 것이다. 이는 전 세계 학계와 산업계에서 경쟁적으로 연구가 이뤄지는 가운데 국내에서 기초과학연구원이 최초로 개발에 성공한 것이다.

이전까지 차세대 메모리 소자 개발을 위해 연구됐던 ‘위상적 솔리톤’은 스핀 구조체로 자연계에 존재하는 다양한 자성체 중 ‘수직 이방성’이라고 하는 특수한 성질을 갖는 자성체에서만 안정성을 갖는다고 알려졌다. 그러나 이는 물질 선택의 제한으로 인해 솔리톤 기반 정보처리 기술 발전에 어려움이 있었다.

이에 김경민 선임연구원팀은 특정 단층 강자성체 두 겹을 서로 뒤틀어 접합시킴으로써 이중층 자성체를 구성했다. 이런 경우, 수직 이방성을 띠지 않는 다른 종류의 자성체에서도 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있음을 세계 최초로 발견한 것이다.

강자성체 뒤틀어 접합, 위상적 솔리톤 안정화 성공

새롭게 발견된 안정적인 위상적 솔리톤은 수직이방성이 아닌 수평 이방성을 띄는 자성체에 존재하는 ‘메론’이라고 불리는 스핀 구조체다. 이는 이전에는 그 안정화 메커니즘이 알려지지 않았던 솔리톤이다.

메론 안정화 기술의 확보로 지금까지 수직 이방성 자성체에만 국한돼 있었던 솔리톤 기반 차세대 반도체 기술 연구를 다양한 자성체로 확대 발전시킬 수 있을 것이란 기대다. 이는 또 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시키는 원동력으로 작용할 것으로 예상된다.

연구원은 “이번 연구 결과는 자성체 내부에서는 안정적이지 않은 위상적 솔리톤이 두 자성체를 뒤틀어 접합할 경우, 자성체 간 상호작용을 통해 안정화될 수 있다는 것을 보인 첫 예시”라면서 “여러 자성체를 뒤틀어 접합시키는 경우 자성체의 종류와 뒤틀림 각도를 조절함으로써 무한히 많은 자성 시스템을 구현할 수 있으므로, 뒤틀림 자성체 기반 스핀 기술이라고 하는 연구 영역을 새로이 개척했다고 판단된다”고 했다.

본 연구는 KAIST 물리학과 김세권 교수 연구팀, 한양대학교 물리학과 박문집 교수팀과 공동으로 진행됐으며, 물리 및 화학분야 세계적인 학술지 `나노 레터스(Nano Letters, IF 12.262)'에 지난 20일 게재됐다.