전력손실↓ 속도↑…차세대 반도체 나온다

KIST 연구팀, 스핀-전기 전환 효과 이용한 차세대 전자소자 개발

▲전력손실은 줄이고 속도는 높인 차세대 반도체가 개발됐다.[사진제공=KIST]

[아시아경제 정종오 기자] 전력손실이 작고 속도는 빠른 차세대 반도체가 개발될 것으로 보인다. 국내 연구팀이 신호 손실이 없는 스핀-전기 전환효과를 이용한 차세대 전자소자를 내놓았다.

스핀트로닉스 소자는 전자의 전기적 특성과 자기적 특성을 모두 이용하는 차세대 전자소자로써 실리콘 이후 차세대 반도체 소자분야에서 가장 주목받는 후보이다. 스핀이 시계방향으로 돌면 '0', 반대방향으로 돌면 '1'로 인식해 전자 하나가 1비트가 된다. 전자의 스핀은 제어하기 어려운 특성이 있어 스핀정보를 전압으로 제어하고 전기신호로 바꾸는 것이 스핀트로닉스 소자의 활용여부를 가늠하는 핵심이다.

현재까지 가장 널리 알려진 방법은 스핀을 홀 전압으로 전환하는 스핀 홀 현상을 이용헌다. 기존에 스핀 홀 현상을 이용한 소자는 스핀정보가 전기신호로 바뀌는 과정에서 전자 간에 충돌이 발생했는데 이번 연구에서는 전자간의 충돌 전에 원하는 전기신호로 바꾸고 이를 외부에서 제어하는 방법을 이용했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 구현철·장준연 박사 연구팀은 '전압으로 스핀정보를 제어하고 신호 손실 없이 전기정보로 바꾸어 주는 스핀 홀 전자소자를 개발했다'고 발표했다.

일반적 홀 효과는 전기가 흐르는 채널에서 자기력을 가해 전자의 방향을 측면방향으로 이동시켜 측면전압을 측정하는 방법이다. 스핀 홀 현상은 이와 달리 전자가 갖고 있는 스핀방향에 따라 이동하는 방향이 달라지고 이 전자의 이동을 전압으로 측정하는 방법이다.

이번 연구에서는 무손실 스핀 홀 현상전압으로 자유자재로 조절해 트랜지스터나 로직소자로 사용가능함을 제시했고 스핀의 주입부터 스핀의 제어까지 모두 전기신호를 이용한 세계최초의 실험이다.

구현철 KIST 스핀융합연구단장은 "이번에 보여준 방법은 기존소자에서 항상 존재했던 전자 간에 충돌로 인한 신호 손실을 없애고 초고속 반도체 채널이 가지는 무손실 스핀-전기 전환 현상을 이용했다"며 "현재 반도체 소자개발에 가장 핵심요소인 저전력화에 새로운 방법을 제시한 결과"라고 설명했다.

이번 연구는 차세대 전자소자 중 가장 강력한 후보인 스핀전자소자분야에서 반도체 채널을 기반으로 한 연구에 새로운 패러다임을 제공했다는 측면에서 의미가 있다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr