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전자의 ‘유사스핀’ 활용한 신개념 반도체

벌집구조 흑린에서 유사스핀 정렬 발견…유사스핀트로닉스 개척 기대

[산업일보]
빛을 내는 신비한 물질로 처음 발견된 원자번호 15번 인(P). 인 원자로 만들어진 검은 빛깔의 신소재 흑린에서 새로운 종류의 반도체가 발견됐다.

전자의 ‘유사스핀’ 활용한 신개념 반도체
유사스핀 반도체가 발견된 흑린의 결정 구조


종전까지 반도체 기술에서는 외부 전기신호로 전자의 흐름을 제어하는 방식으로 정보를 전달하고 저장했다면, 흑린의 독특한 성질인 유사스핀을 활용할 경우 외부 전기신호로 유사스핀의 방향을 제어하는 방식으로 보다 효율적인 정보처리가 가능하게 될 전망이다.

물질의 구성 원자가 벌집 모양으로 배열된 경우 전자의 유사스핀이란 새로운 성질이 나타나는 것은 알려져 있었으나 이 유사스핀이 정렬돼 제어할 수 있는 물질은 존재하지 않았다.

이에 한국연구재단(이사장 노정혜)은 김근수 교수(연세대학교) 연구팀이 흑린에서 ‘유사스핀 반도체’를 발견했다고 밝혔다. 유사스핀 반도체는 기존 반도체에 비해 더 적은 전력 소모로 더 우수한 성능을 기대할 수 있어 이번 연구성과가 큰 의미가 있다.

연구팀은 물질의 벌집구조에 특정 방향으로 주름이 생길 경우 유사스핀이 그 방향으로 정렬된다는 사실을 발견했다.

이에 주름진 벌집구조를 갖는 흑린에서 유사스핀의 방향을 측정한 결과, 95% 이상 한 방향으로 정렬돼 있음을 확인하고 이 과정에 물질 속 전자의 유사스핀 방향을 측정할 수 있는 실험 기법을 직접 고안, 사용했다.

특히 이 같은 정렬현상은 고온까지 안정적이고, 흑린의 두께와 무관하게 나타나기에 더욱 활용성이 높다는 설명이다.

연구팀은 유사스핀 반도체의 상용화를 위한 후속 연구로 유사스핀 반도체를 이용해 유사스핀 거대자기저항효과 발견에 도전할 계획이라고 밝혔다.

김근수 교수는 “유사스핀 반도체는 자성 반도체의 유사스핀 버전”이라며, “자성반도체의 발견이 스핀트로닉스 분야를 개척한 사례에 비춰 볼 때 유사스핀 반도체의 발견은 ‘유사스핀트로닉스’라는 차세대 반도체 연구의 신생 분야로 이어질 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

김 교수는 “실용화를 위한 과제는 유사스핀 반도체에 기반해 유사스핀의 거대자기저항 효과를 탐색하고, 유사스핀트로닉스를 구현하는 것이다. 유사스핀트로닉스가 상용화 될 수 있다면 지금까지 반도체 기술과는 다른 물리학적 개념에 의거해 동작하는 신개념·고성능 반도체 기술을 만들 수 있다”며, “점차 한계에 다다르고 있는 반도체 기술에 혁신을 가져올 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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