전기 필요없는 그래핀 메모리 구현..."양자컴퓨터 저장장치 개발 가능"

인공지능(AI) 시대 데이터 저장도 용량이 급격히 커지고, 전력 소모량도 급격히 늘며 현안이 됐다. 특히, 양자컴퓨터가 양자이득을 향해 가고 있지만, 양자 저장장치를 만들었다는 소식은 아직 없다.

DGIST는 화학물리학과 김영욱 교수 연구팀이 KAIST 조길영 교수 연구팀 등과 그래핀과 같은 아주 얇은 물질을 샌드위치처럼 겹쳐서 전기로 정보를 쓰고 지울 수 있는 새로운 메모리 원리를 발견, 소자를 만들어 성능을 입증했다고 21일 밝혔다.

그래핀 메모리를 구현한 연구진. 왼쪽부터 DGIST 김소연 박사, 김영욱 교수, KAIST 조길영 교수.(사진=DGIST)

이번 연구 성과는 전기를 거의 쓰지 않는 초저전력 전자 소자와 미래형 양자 컴퓨터 부품 개발에 기여할 것으로 기대된다.

김영욱 교수는 "스마트폰이나 컴퓨터가 더 얇고 가벼워지려면, 그 안에 들어가는 반도체 부품 두께도 획기적으로 줄어 들어야 한다"며 "그러나 기존에 정보를 저장하는 ‘강유전’ 물질들은 두께가 얇아지면 급격한 성능 저하와 복잡한 공정이 걸림돌"이라고 지적했다.

김 교수는 "강유전성이 아예 없는 소재들을 결합해 인공적으로 강유전성을 만들어내는 역발상으로 이 문제를 해결했다"며 "꿈의 신소재라 불리는 ‘그래핀’과 ‘양자 스핀 액후보물질(α-RuCl₃)’ 사이에 아주 얇은 절연체(hBN)를 샌드위치처럼 끼워 넣는 획기적인 방법을 고안했다"고 말했다.

연구팀은 이 구조에서는 계면 전하들이 재배열되며 마치 강유전 물질처럼 정보를 저장할 수 있는 ‘전기 자석(쌍극자)’들이 저절로 생겨났으며, 마치 스위치를 켜고 끄듯이 전기로 정보를 기록하고 지울 수 있음을 확인했다고 설명했다.

연구팀이 이 원리를 적용해 만든 소자는 영하 약 243도(30 K) 부근에서 가장 안정적으로 작동했으며, 한 번 저장된 정보는 전원을 꺼도 5개월 이상 유지되는 탁월한 ‘비휘발성’을 나타냈다.

또한, 이 현상은 외부 자석의 힘(자기장)이나 방향에 영향을 받지 않고 오로지 전기적인 상호작용으로만 제어할 수 있어, 기존 방식보다 훨씬 안정적이고 효율적이라는 것. 이는 구조적 변형 없이 단순한 적층만으로도 강유전성을 구현할 수 있음을 입증한 성과라고 연구팀은 부연설명했다.

왼쪽 그림은 소자 모식도. 그래핀과 양자 액상 후보물질 사이에 절연체를 끼워 넣어 인공적으로 강유전성을 확보했다. 오른쪽 그림은 강유전 현상결과다.(그림=DGIST)

김영욱 교수는 “이번 연구는 인위적인 구조적 변형 없이도, 단순히 물질을 쌓아 올리는 것만으로 전기를 제어하는 새로운 물성을 발견했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 이 기술을 활용해 극저온에서 작동하는 양자 컴퓨터 메모리 소자나 초절전 차세대 반도체 개발에 속도를 낼 수 있을 것”이라고 말했다.