우리 학교 물리학과 이경진 교수, 김세권 교수 연구팀이 스핀 기반 차세대 반도체 기술(이하 스핀트로닉스)의 최신 연구 동향 및 미래 발전 전략을 정리한 `준강자성체* 기반 스핀트로닉스’ 리뷰 논문을 물리 및 재료 분야의 학술지 <네이처 머터리얼스(Nature Materials)> 2022년 1월호에 표지논문으로 게재했다.

기존 반도체 기술의 문제점과 스핀트로닉스
 기존 반도체 기술은 에너지 효율 향상, 정보 처리 속도 향상, 집적도 향상에서 뚜렷한 한계를 맞닥뜨리고 있다. 첫째, 에너지 효율 향상의 경우, 기존 반도체 기술은 전하의 흐름인 전류 기반이기 때문에 반도체 동작에 줄 발열**이 필수적으로 동반되며 그로 인한 에너지 낭비가 근본적인 문제로 남아있다. 둘째, 기존 반도체 기술의 정보 처리 속도는 오랜 기간 기가헤르츠에 정체되어 있다. 셋째, 기존 반도체의 집적도 또한 전자 간의 강력한 상호작용으로 반도체 소형화의 근본적인 한계를 가진다.

 스핀트로닉스는 이러한 문제점들을 전자의 양자적 성질인 스핀을 이용해 해결하고자 하는 연구 분야다. 이는 기존 정보처리 기술을 혁신적으로 발전시켜 초고속 초고집적 차세대 반도체 기술을 구현할 것으로 기대되고 있다. 

준강자성체 기반 스핀트로닉스의 미래 발전 방향 제시
 연구팀은 위의 세 가지 문제점들을 해결할 수 있는 몇 가지 연구 방향을 제시했다. 첫째, 에너지 효율에 있어 스핀트로닉스에서는 전류를 동반하지 않는 스핀을 이용한 정보 처리 기술을 개발하여 기존 반도체 기술의 줄 발열로 인한 에너지 낭비를 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다. 둘째, 정보 처리 속도의 향상에 있어, 스핀트로닉스에서는 반강자성체 및 준강자성체의 스핀 동역학 속도가 기존 정보 처리 기술보다 약 천 배 빠른 테라헤르츠라는 점을 이용한 초고속 정보 처리 기술을 실현할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 셋째, 집적도의 경우, 반강자성체 및 준강자성체 디바이스간 약한 상호작용을 이용하면 초고집적 반도체를 구현할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

실험적 검증 유도를 위한 노력
 스핀트로닉스에서 기존에 연구되어왔던 강자성체 및 반강자성체는 그 성질이 비교적 잘 알려져 있으나, 연구팀이 다룬 준강자성체는 그 성질이 거의 알려져 있지 않았다. 2017년과 2018년에 걸쳐, 연구팀에서는 준강자성체의 스핀트로닉스에서 잠재적 활용성을 인식하고, 준강자성체의 자성 동역학 및 전송 특성을 기술할 수 있는 이론을 개발하였으나, 그 이론에 대한 실험적 검증 없이는 관련 연구에서 더 이상의 진전이 힘든 상황이었다. 연구팀은 실험적 검증을 유도하기 위해 저널 투고 및 학회 참석을 통해 이론적 연구 결과의 파급에 최선을 다했으며, 그 결과로 여러 실험 그룹과의 협업을 통해 준강자성체 기반 스핀트로닉스 발전에 기여할 수 있었다.

차세대 반도체 기술에 응용 가능성 열어
 연구 결과는 준강자성체 기반의 초고속 자기광학 장치 개발, 준강자성체 스핀파를 이용한 파동 정보 처리 기술 개발, 준강자성체의 양자 상태를 이용한 양자 컴퓨팅 기술 개발 등 여러 방면으로 초고속 초고집적 차세대 반도체 기술에 응용이 될 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 이러한 방향으로 추가적인 연구를 꾸준히 수행할 계획임을 밝혔다.

 연구팀의 연구 대부분은 물리학부, 신소재공학부, 전기및전자공학부를 포함한 다수의 학과를 아우르는 연구팀과의 공동 연구로 이루어졌다. 이 교수와 김 교수는 “이는 전통적 학과 간 경계가 모호해지며 학제간 연구 특성을 강하게 띠는 현대 과학 기술 연구의 단면을 보여준다고 생각된다.”고 전하며 하나의 커리큘럼에 만족하지 않고 여러 과를 아우르는 자신만의 강점을 가지는 것을 강조하였다. 
 

준강자성체*

서로 이웃하는 자성 이웃이 반대 방향으로 정렬되지만, 서로 자성의 크기가 달라서 물질 전체적으로는 자발적인 자성이 남아있는 물체

줄 발열**

전류를 이루고 있는 이동 입자(전자)와 도체를 구성하고 있는 원자 이온 사이의 상호작용에 의해 발생