국내 연구진이 양자역학을 활용해 기존 반도체 한계를 극복할 가능성을 제시하는 연구 결과를 발표했다. 차세대 반도체로 불리는 ‘자성 반도체’ 개발에 한발 더 다가간 연구결과라는 평가다.

30일 과학기술정보통신부는 이경진·김갑진 KAIST 물리학과 교수와 정명화 서강대 물리학과 교수 공동 연구팀이 세계 최초로 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 발견했다고 밝혔다. 스핀 펌핑이란 전자가 지닌 자기적 성질인 스핀을 활용해 전류를 만드는 방법이다. 과기정통부 기초연구사업 지원 등으로 수행된 이번 연구는 국제학술지 네이처에 게재됐다. 이경진 교수는 중앙일보와의 전화 인터뷰에서 “연구 결과를 활용하면 앞으로 ‘스핀’(전자의 자기적 성질)을 활용한 반도체 시장이 더 발전할 가능성이 있다”고 말했다.

전자는 전기적 성질인 전하와 자기적 성질인 스핀을 동시에 보유한다. 현재 전자기기들은 전하 전류로 작동한다. 그런데 전하 전류는 전자가 흐를 때 물질 내 원자와 충돌하면서 열이 발생해 효율이 떨어지는 문제가 있다. 이에 대한 대안으로 과학계에선 스핀 전류를 활용해 저발열 고효율 전자소자를 개발하는 이른바 스핀트로닉스(spintronics·스핀 전자공학) 연구를 이어왔다. 다만 기존 물리적(고전역학적) 방식으로 전류를 발생시켰을때, 출력이 충분하지 않은 한계가 있었다. 공동 연구팀은 ‘양자 얽힘’(두 개의 양자가 멀리 떨어져 있어도 서로 즉시 영향을 주는 현상) 현상을 활용해 기존 방식 대비 10배 이상의 스핀 전류를 생성했다. 연구진은 “양자역학 현상을 활용해 스핀트로닉스 연구 전반에 새로운 패러다임을 제시했다”며 “대부분의 양자역학적 현상이 극저온에서만 관측되는 것과 달리, 이번 연구는 상온에서 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 관측했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 했다.

이번 연구는 전자의 전하가 아닌 스핀을 활용한 더 효율적인 전자기기, 반도체 개발 가능성을 높였다. 특히 현재 실리콘 반도체의 한계를 넘어설 것으로 기대되는 자성 반도체 발전에 기여할 것으로 예상된다. 자성 반도체는 전하만 활용하는 실리콘 반도체와 달리 전하와 스핀을 동시에 쓰는 차세대 반도체다. 이경진 교수는 “아직 시장이 작지만, 앞으로 스핀을 활용한 반도체 발전 가능성이 높다며 “20년 전부터 학계에서 논의된 양자역학적 스핀 펌핑 현상을 학문적으로 풀어냈다”고 말했다.

이번 공동연구를 진행한 이경진‧김갑진‧정명화 교수는 모두 물리학계에서 손꼽히는 연구자들이다. 이경진 교수는 2022년 미국 물리학회 석학회원(fellow)로 선정되기도 했다. 석학회원은 5만 명이 넘는 미 물리학회 회원 중 탁월한 학술업적을 이룬 0.5% 이내 회원들만 선정된다. 


이번 연구는 서로 다른 전공 연구진들이 협업을 통해 성과를 만들어낸 측면에서도 의미가 있다. 우선 정명화 교수 연구팀이 철(Fe)과 로듐(Rh)의 합금으로 자성박막(얇은 자석 막)을 만들었고, 김갑진 교수 연구팀이 이 자성박막을 이용해 강한 스핀 전류를 발견했다. 이어 이경진 교수 연구팀이 양자역학적인 이론으로 이 현상을 설명했고, 추가 실험을 통해 맞다는 걸 증명했다. 이경진 교수는 “실험과 이론 학자들 간 공동연구가 좋은 결과를 만들었다”라고 했다.