KAIST-IBS, 차세대 반도체 솔리톤 안정화 기술 최초 개발

[이뉴스투데이 이승준 기자] 초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시키는 원동력으로 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 기술이 개발됐다. 

KAIST는 김세권 물리학과 교수 연구팀이 김경민 기초과학연구원(IBS) 복잡계 이론물리 연구단(PCS-IBS) 박사팀, 박문집 한양대학교 물리학과 교수팀과의 공동 연구로 뒤틀림 자성체를 이용해 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있는 기술을 세계 최초로 개발해 물리·화학 분야 세계적인 학술지 ‘나노 레터스’에 게재했다고 21일 밝혔다.

스핀트로닉스는 성장 한계에 다다른 기존 반도체 기술의 근본적인 문제점들을 전자의 양자적 성질인 스핀을 이용해 해결하는 데 목적을 둔 연구 분야다. 이는 기존 정보처리 기술을 혁신적으로 발전시켜 초고속 초저전력 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대되고 있다. 

솔리톤이란 특정한 구조가 주변과 상호작용을 통해 사라지지 않고 계속 유지하는 현상을 의미한다. 위상적 솔리톤이라는 구조체를 이용해 정보를 저장하고 전송할 수 있는 초고속 비휘발성 메모리 소자 개발이 전 세계 각국 학계와 산업계에서 경쟁적으로 연구가 이뤄지고 있다.

이전까지 차세대 메모리 소자 개발을 위해 연구됐던 위상적 솔리톤으로는 스핀 구조체로 자연계에 존재하는 다양한 자성체 중 ‘수직 이방성’이라고 하는 특수한 성질을 갖는 자성체에서만 안정하다고 알려져, 물질 선택의 제한으로 인해 솔리톤 기반 정보처리 기술 발전에 어려움이 있었다. 

김세권 교수 연구팀은 특정 단층 강자성체 두 겹을 서로 뒤틀어 접합시켜 이중층 자성체를 구성할 경우, 수직 이방성을 띠지 않는 다른 종류의 자성체에서도 위상적 솔리톤을 안정화시킬 수 있음을 세계 최초로 발견했다. 

이번 연구를 통해 발견된 안정한 위상적 솔리톤은 수직 이방성이 아닌 수평 이방성을 띄는 자성체에 존재하는 ‘메론’이라고 불리는 스핀 구조체로서 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 것으로 기대를 모은다. 동시에 스핀트로닉스 기술을 한 단계 성장시키는 원동력으로 작용할 것으로 예상된다는 게 KAIST의 설명이다.

KAIST는 이번 연구 결과는 자성체 내부에서는 안정하지 않은 위상적 솔리톤이 두 자성체를 뒤틀어 접합할 경우, 자성체 간 상호작용을 통해 안정화될 수 있다는 것을 보인 첫 예시라고 강조했다.

여러 자성체를 뒤틀어 접합시키는 경우 자성체의 종류와 뒤틀림 각도를 조절함으로써 무한히 많은 자성 시스템을 구현할 수 있으므로, 이번 연구 결과는 뒤틀림 자성체 기반 스핀 기술이라고 하는 넓은 연구 영역을 새로이 개척했다는 입장이다.

김세권 KAIST 교수는 “이번 논문은 무한히 많은 가능성을 갖는 뒤틀림 자성체 기반의 새로운 물리 현상 탐색과 활용 연구의 시발점으로 작용할 것”이라고 기대감을 내비쳤다.