국내연구진, 초저전력·초고성능 AI반도체 개발 실마리 찾아

표준연, 세계최초 2D 상온 스커미온 생성 및 전자제어 성공
양자컴퓨터 적용도 기대

2차원 스커미온 생성 및 전기적 제어 모식도

인공지능(AI) 시대에 폭증하는 정보를 처리하기 위한 새로운 초저전력 초고성능 반도체 소자로 사용될 수 있는 새로운 소재 스커미온을 국내연구진이 세계 최초로 2D 상온에서 생성하고 제어하는 데 성공했다. 미국 중국 연구진과의 경쟁에서도 앞선 성과다.

한국표준연구원 양자자기센싱그룹이 최근 2D 상온에서 생성과 제어에 성공한 스커미온은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀(spin) 구조체다. 이론상 수 나노미터(㎚)까지 줄일 수 있고 매우 적은 전력으로도 이동할 수 있다. 만일 현실에서 스커미온을 자유자재로 만들고 조작할 수 있다면 초저전력·초고성능의 차세대 소자를 개발할 수 있어 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.

기존 스커미온 응용 연구는 3D 자석에서만 진행됐으나 2017년 2D 자석이 최초 보고된 이후 2D 환경에서도 관련 연구가 폭넓게 이뤄졌다. 3D 자석의 표면에 비해 매끄러운 2D 자석은 적은 전력을 소모해 안정적으로 동작할 수 있다.

표준연은 상온의 2D 자석 표면에 매우 미세한 전압과 자기장을 공급해 스커미온을 구현한 후 생성된 스커미온에 전류를 가해 원하는 방향으로 제어했다. 실험 결과, 기존 3D에 비해 스커미온 제어에 소비되는 전력이 약 1000분의 1 정도에 그쳤다. 반도체 소자에서 전력소비 감소는 중요한 요인이다. 크기도 10배 이상 작아져 안정성·속도 측면에서 대폭 유리한 것으로 나타났다. 2D 스커미온의 상온 발현 기술은 비슷한 시기에 미국과 중국에서도 보고되었지만, 발현과 더불어 전기적 제어까지 성공한 사례는 이번이 세계 최초다.

연구진은 지난해 3D 스커미온 트랜지스터를 개발한 지 약 1년 만에 2D 환경에서도 생성·제어하는 데 성공하며 차세대 스핀트로닉스(Spintronics) 소자 개발에 한 발 더 다가서게 됐다.

양승모 표준연 선임연구원은 "최근 AI의 발전과 함께 전력 수요가 폭증하면서 초저전력 반도체 소자의 필요성이 커지는 추세"라며 "이번 개발한 스커미온 제어 기술을 응용하면 차세대 AI 반도체 소자도 설계할 수 있을 것"이라고 기대감을 밝혔다.

표준연은 10여년 전부터 스커미온에 대한 연구를 진행해왔다. 한국과학기술연구원(KIST)과 기초과학연구원(IBS)에서도 스커미온에 대한 연구를 했지만, 표준연은 스커미온에 대해 개념단계에서부터 우직하게 연구를 진행해 세계적 수준의 성과를 내고 있다.

양 선임연구원은 "스커미온에 대해 10여년의 연구를 거치며 기초단계에서부터 매년 발전을 거듭하다 지금의 단계에 이르러 활용 대상을 정할 수 있게 됐다"고 설명했다.

표준연 양자자기센싱그룹 양승모 선임연구원, 황찬용 책임연구원(좌측부터)

다만 이번 개발 사례는 논문으로 공개된 만큼 중국 측이 공개정보를 활용해 추가 연구에 나선다면 더욱 발전한 결과를 내놓을 수 있다는 우려도 있다.

표준연은 이번 연구를 양자컴퓨터 분야에 활용할 수 있을 것이라는 기대도 하고 있다. 스커미온이 상온 양자컴퓨터의 핵심인 큐비트로 활용될 여지가 있기 때문이다. 다만 표준연도 초전도체 양자컴퓨터 연구에 주력하고 있고 스커미온을 큐비트 후보물질로 거론하기에는 너무 초기 단계인 만큼 학계에서는 상온 양자컴퓨터와의 지나친 연계가 아직 이르다는 지적도 나온다.