韓 연구진, 차세대 전자 소자 '액시톤' 상용화 길 텄다

전력소비·열 없어...저에너지로 구동 가능한 꿈의 소자 및 컴퓨터 개발 가능성 높여

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 전력 소비가 거의 없고 열도 나지 않는 차세대 정보통신 소자 액시톤이 실온에서 자발적으로 형성되는 현상을 세계 최초로 관측하는 데 성공했다. 에너지 손실과 발열 현상이 없는 꿈의 소자 및 컴퓨터를 실현해 낼 수 있는 단초를 마련했다는 평가다.

기초과학연구원(IBS)은 염한웅 원자제어 저차원 전자계 연구단장(포항공대 물리학과 교수) 연구팀이 저항 없이 정보 전달이 가능한 입자 ‘액시톤’이 실온에서 자발적으로 형성되는 현상을 세계 최초로 관측했다고 16일 밝혔다.

액시톤은 자유전자(-)와 양공(+)이 결합해 만들어지는 입자다. 주로 반도체나 절연체 물질에 빛을 쏠 때 생긴다. 전하가 0인 액시톤은 물질 내에서 움직일 때 저항을 받지 않아 에너지 소모 없이 정보를 전달할 수 있다. 전력 소비가 크고 발열이 동반되는 고성능 소자의 한계를 해결할 차세대 기술로 주목받고 있다.

하지만 레이저로 만든 액시톤은 수명이 매우 짧아 안정성이 떨어지기 때문에, 정보 처리 소자에 활용하기는 어려웠다. 수명이 긴 액시톤을 만들기 위해 전자와 양공을 직접 조종하는 연구가 시도됐지만 극저온에서만 액시톤을 만들 수 있다는 한계가 있었다.

연구진은 특별한 전자구조를 갖는 물질에서 자발적으로 생성되는 액시톤을 관측하고자 실험을 설계했다. 1970년대에 제시된 액시톤 절연체 예측 이론이 연구의 중요한 계기가 됐다. 이 이론은 특이한 전자구조를 가지는 반도체나 반금속에서는 높은 온도에서도 수명이 긴 액시톤이 자발적으로 만들어질 수 있다고 예견했다. 수 년 전 도쿄대에서 이러한 조건에 부합하는 반금속 물질을 제안하였으나 액시톤을 실험적으로 확인하지는 못했다.

연구진은 도쿄대가 제안했던 셀레늄화니켈다이탄탈룸(이하 Ta2NiSe5)을 고품질로 직접 합성해 액시톤 신호를 검출하는 데 성공했다. 액시톤을 빛으로 자극하면 자유전자와 양공으로 붕괴되는데, 이 때 액시톤을 구성하던 자유전자가 빛을 받아 튕겨져 나온다. 그러나 이 광전자가 액시톤 붕괴에 의한 것인지 확인하려면 고체에서 나오는 다른 무수한 광전자와의 구분이 필요하다.

연구진은 이를 위해 세계 최고 수준의 성능을 가지는 광전자 분광장치를 개발했다. 이 장치는 빛의 편광을 변화시키면서 광전자를 측정할 수 있다. 따라서 이 물질의 일반 광전자가 발생되지 않는 편광조건에서도 측정을 할 수 있었고 매우 강한 광전자 신호를 검출했다. 이 새로운 광전자의 에너지와 운동량을 분석한 결과 이론적으로만 예측되었던 액시톤의 신호로 확인됐다.

염한웅 단장은 “세계 최초로 실온에서 자발적으로 형성되는 액시톤 입자를 관측함으로서 1970년대의 소위 액시톤 절연체 예측이 옳았음을 증명했다”며 “수명이 긴 액시톤을 발견함으로써 향후 저항손실 없는 소자와 컴퓨터가 실현될 가능성이 높아졌다”고 의의를 밝혔다.

이 연구 결과는 국제 학술지 네이처 피직스(Nature Physics, IF 20.034)지에 16일 게재됐다.