차세대 반도체 '스핀트랜지스터' 기술 세계 최초 개발

사이언스지 게재, 미국·유럽·일본 등에 관련 특허 출원 中

국내 연구진이 지난 20년간 과학계와 산업계에 이론으로만 제시돼 왔던 전자의 스핀(회전)을 이용한 '스핀트랜지스터 소자'를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 한홍택)은 나노과학연구본부 스핀트로닉스연구단의 장준연·구현철 박사팀이 반도체에 전자의 스핀을 주입해 스핀의 방향에 따라 전기저항을 변화시킬 수 있는 획기적인 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

이번 연구결과는 세계 최고 권위를 자랑하는 사이언스(Science)지 18일자에 게재됐으며 미국, 유럽, 일본 등 세계 각국에 관련 특허를 출원 중이다.

KIST 관계자는 "이번 스핀트랜지스터 기술 개발로 우리나라는 차세대 반도체 산업에서도 유리한 고지를 선점할 수 있게 됐다"고 평가했다.

KIST는 지난 2002년부터 10년간의 장기연구사업인 '비젼 21 사업'의 지원으로 전담연구단을 구성해 '스핀트랜지스터' 기술을 개발해 왔다.

연구팀 관계자는 "7년 동안 노력 끝에 개발한 스핀트랜지스터 소자기술은 반도체에 전자의 스핀을 주입해 스핀의 방향에 따라 전기저항을 변화시킬 수 있는 기술"이라며 "그동안 반도체는 전자의 전하(-)만을 이용할 수 있었지만 이 기술은 전하와 동시에 스핀을 이용해 전자소자를 구동할 수 있다"고 말했다.

이 관계자는 이어 "전극재료인 강자성 금속도체로부터 반도체로 전자의 스핀을 높은 효율로 주입하는 것과, 반도체에 주입된 스핀의 방향을 게이트 전압으로 제어하는 것이 이 기술의 핵심"이라고 설명했다.

연구팀은 금속과 반도체간의 큰 전도도 차이로 자성금속에서 반도체로 스핀 주입이 불가능하다는 학계의 정설을 뒤집고 정밀한 '반도체 박막성장기술(MBE)'을 통해 자성금속과 반도체의 계면을 효과적으로 제어함으로써 차세대 반도체 산업을 이끌어갈 원천기술을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀에 따르면 이 '스핀트랜지스터'가 상용화될 경우 기존 반도체의 한계를 극복한 비휘발성의 초고속·초저전력 전자소자 개발이 가능해진다.

특히 '기능 전환형 논리소자(reconfigurable logic device)'와 같은 새로운 전자소자를 개발해 컴퓨터를 부팅 과정 없이 바로 실행하고 메모리와 컴퓨터 CPU를 한 칩에 모두 담는 등, 정보산업 전반에 미치는 파급 효과가 클 것으로 예상된다.

이같은 산업적 효과 때문에 지난 1990년 미국에서 스핀소자의 개념에 대한 이론적 보고서가 발표된 후 세계 각국에서 다양한 연구가 진행돼 왔으나, 전기적 동작이 가능한 스핀소자를 실제로 구현한 것은 이번 KIST 연구진이 처음이다.