표준연, AI 시대 앞당길 초저전력 소자 핵심기술 개발

세계 최초 단일 소자 내 스커미온 생성·삭제·이동 기술 구현

한국표준과학연구원(KRISS·원장 박현민) 양자기술연구소 양자스핀팀은 스커미온 기반 전자소자를 구현할 핵심기술을 개발하는 데 성공했다고 5일 밝혔다. 차세대 반도체 소자인 뉴로모픽 소자·로직 소자 등의 개발에 기여할 전망이다.

인공지능(AI) 슈퍼컴퓨터 등은 ‘전기 먹는 하마’라고도 불릴 만큼 전력 소모가 크다. 2016년 알파고가 바둑 한판을 둘 때 소모한 전력은 약 1MW로 일반 가정집 100가구가 하루에 사용하는 전력사용량과 비슷하다. 이에 대용량 데이터를 저전력으로 처리하는 초저전력 전자소자에 관심이 커지고 있다.

KRISS 양자기술연구소 황찬용 책임연구원(왼쪽)과 양승모 선임연구원이 스커미온을 이용해 실험을 하고 있다.

표준연 관계자는 “스커미온은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀 구조체로 수 나노미터까지 크기를 줄일 수 있다”며 “매우 작은 전력으로도 이동할 수 있어 초저전력 소자의 대표 주자로 꼽히고 있다”고 설명했다. 스커미온을 이용한 전자소자는 자성의 N극, S극을 이용해 1이나 0을 기록하는 전자소자에 비해 100분의 1 수준의 전력을 소비할 수 있어 경제적이다.

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

현재까지 스커미온을 응용하는 전자소자 연구는 대부분 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 진행됐다. 스커미온 기반의 전자소자를 상용화하려면 실제 실험으로 증명하는 것이 필요하기에 응용 가능성이 큰 소자 개발에는 한계가 있었다.

KRISS 양자기술연구소 양자스핀팀은 평면 상태의 2차원에 국한돼 광·전류·자기장·전기장 등 외부의 강한 자극으로 스커미온을 생성·삭제하는 방식을 뛰어넘어, 3차원 수직 전극 구조를 기반으로 한 새로운 스커미온의 생성 및 삭제 방식을 실험적으로 구현하는 데 성공했다.

3차원 수직 전극을 활용한 스커미온 소자 구현을 표현하는 이미지

KRISS 연구팀은 산화층 내부에 3차원 수직 전극 역할을 하는 필라멘트가 형성되는 것을 이용해 자성체의 특정 위치에 전류를 주입했고, 이때 스커미온이 쉽게 생성 및 삭제되는 것을 발견했다. 이를 기존의 스커미온 이동 기술과 접합시켜 하나의 소자에서 스커미온의 자유로운 생성·삭제·이동 기술을 동시에 구현했다.

이번 기술은 국내 대기업에서 개발하고 있는 ‘M램(자성 반도체)’ 기술에도 적용할 수 있다. 2013년 노벨물리학상 수상자인 알베르 페르 박사가 이론적으로 제시한 스커미온 소자를 세계 최초로 실험으로 구현하는 데 성공했다.

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

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