한국표준과학연구원은 2차원 상온에서 차세대 반도체 소자 '스커미온'을 제어하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

반도체 기반 전자소자는 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀(전자가 자기장에 대해 회전운동을 하는 물성) 중 전하를 전기장으로 제어해 정보를 처리·저장한다. 최근 메모리 저장 용량의 한계로 초저전력·초고속 메모리 소자 구현을 가능케 하는 스핀 제어 연구가 주목받고 있다.

스커미온은 전자의 스핀에 의해 자성을 띠는 소용돌이 모양 구조체다. 이론상 크기를 수 ㎚(나노미터·10억분의 1ｍ)까지 줄일 수 있으며 매우 작은 전력으로도 이동할 수 있어 스핀트로닉스(spintronics·스핀을 이용해 차세대 메모리 등 전자소자를 개발하는 분야) 분야 차세대 메모리 소자로 불린다.

기존 스커미온 응용 연구는 3차원 자석에서만 진행돼 왔으나, 2017년 2차원 자석이 처음으로 보고된 이후 2차원 환경에서도 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 2차원 자석은 3차원 자석과 달리 마찰과 잡음이 없어 전력 소모가 적고, 3차원에 비해 크기가 작아 양자 현상을 극대화할 수 있다.

연구팀은 상온의 2차원 자석에서 스커미온을 생성하고 제어하는 데 성공했다. 자석 표면에 매우 미세한 전압과 자기장을 공급해 스커미온을 구현한 뒤 전류를 가해 원하는 방향으로 제어해 냈다.

실험 결과 기존 3차원에 비해 스커미온 제어에 소비되는 전력은 1천분의 1 정도에 불과했고, 높은 안정성과 빠른 속도를 보였다.

지난해 2월 3차원 스커미온 트랜지스터(반도체 소자)를 개발한 지 1년 만에 2차원 환경에서도 스커미온 생성·제어에 성공했다고 연구팀은 밝혔다.

양승모 표준연 선임연구원은 "초저온 환경에서만 구동하던 기존 양자컴퓨터의 한계를 넘은 '상온 양자컴퓨터'의 가능성을 제시했다"며 "고효율·저전력으로 대용량 정보를 처리할 수 있는 인공지능(AI) 반도체 소자 설계에 기여할 것"이라고 말했다.

한국과학기술원(KAIST) 김갑진 교수·성균관대 이창구 교수·미국 로렌스버클리 국립연구소 임미영 박사가 공동으로 참여한 이번 연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials) 지난달 23일 자에 실렸다.