▲ KRISS 양자기술연구소 황찬용 책임연구원(좌), 양승모 선임연구원(우)이 스커미온을 이용해 실험을 진행하고 있다.

국내 연구진이 스커미온 기반의 초저전력 소자 핵심기술을 개발해 차세대 반도체 소자인 뉴로모픽 소자, 로직 소자 등의 개발에 기여를 할 전망이다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 양자기술연구소 양자스핀팀은 스커미온 기반 전자소자를 구현할 핵심기술을 개발하는 데 성공했다고 5일 밝혔다.

인공지능, 슈퍼컴퓨터 등은 전력 소모가 크다. 2016년 알파고가 바둑 한판을 둘 때 전력 약 1MW 소비했으며 이는 가정집 100가구가 하루에 사용하는 양과 비슷하다. 이에 대용량 데이터를 저전력으로 처리하는 초저전력 전자소자에 관심이 커지고 있다.

스커미온은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀 구조체로, 수 나노미터까지 크기를 줄일 수 있고 매우 작은 전력으로도 이동할 수 있다. 스커미온을 이용한 전자소자는 자성의 N극, S극을 이용한 전자소자에 비해 100분의 1 수준의 전력을 소비해 경제적이다.

스커미온을 전자소자로 개발하기 위해서는 단일 소자 내에서 개별 스커미온을 제어하는 생성·삭제·이동·검출의 4가지 기술이 종합적으로 필요하다. 지난 10년간 이 4가지 기술의 일부 조합을 각각 실험으로 구현하는 데 성공했지만, 생성 원인을 규명하지 못해 4가지를 한 번에 실험으로 증명한 적은 없었다.

또한 스커미온을 응용하는 전자소자 연구는 대부분 컴퓨터 시뮬레이션으로 진행됐다. 상용화하려면 실제 실험으로 증명하는 것이 필요해 응용 가능성이 큰 소자 개발에는 한계가 있었다.

KRISS 양자기술연구소 양자스핀팀은 산화층 내부에 3차원 수직 전극 역할을 하는 필라멘트가 형성되는 것을 이용해 자성체의 특정 위치에 전류를 주입, 이때 스커미온이 쉽게 생성 및 삭제되는 것을 발견했다. 이를 기존 스커미온 이동 기술과 접합시켜 소자 내 스커미온의 자유로운 생성·삭제·이동 기술을 동시에 구현했다.

이번 기술은 국내 대기업에서 개발하고 있는 ‘M램’ 기술에도 적용할 수 있으며, 2013년 노벨물리학상 수상자인 Albert Fert 박사가 이론적으로 제시한 스커미온 소자(Skyrmion racetrack memory)를 세계 최초로 실험으로 구현하는 데 성공했다는 점에서 큰 의미를 가진다.

KRISS 양자기술연구소 황찬용 책임연구원은 “이번 성과는 차세대 반도체 기술 개발에 핵심적인 역할을 할 수 있을 것”이며, “향후 스커미온 개수 제어를 활용한 시냅스 소자 등의 응용연구와 실험이 거의 불가능했던 양자 스커미온 분야 연구를 시도할 계획”이라고 전했다.

한편, 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 차세대지능형반도체기술개발사업 등의 지원을 받은 이번 연구성과는 KRISS 양자기술연구소 양자스핀팀과 DGIST 신물질과학전공 홍정일 교수 연구팀이 공동으로 참여했으며, 세계적인 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF: 30.849)에 9월 27일 온라인 게재됐다.