(그림제공=KAIST)
[뉴스웍스=문병도 기자] 스마트폰 발열 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 새로운 신호 처리 원리가 개발됐다.
김갑진 한국과학기술원(KAIST) 물리학과교수 연구팀은 자석 내부의 미세한 진동인 스핀파를 활용해 나노 크기에서 신호의 주파수를 5GHz 이상 급격하게 변화시키는 데 성공했다.
연구팀이 사용한 소재는 머리카락보다 훨씬 얇은 자성 물질을 여러 겹 쌓아 만든 인공 반강자성체(SAF)다. 이 구조 안에서 스핀파가 두 가지 방식으로 나타나는데, 연구팀은 특정 조건에서 이 움직임이 서로 갑자기 바뀌는 '모드 변환' 현상을 최초로 확인했다. 마치 라디오를 듣다가 버튼 하나로 채널을 완전히 바꾸는 것과 같은 효과다. 이 주파수 변화는 복잡한 전자 회로 없이 신호의 세기만 조절해도 가능해 장치 구조를 단순화하고 전력 소모를 크게 줄일 수 있다.
스핀트로닉스는 전자의 전하 대신 스핀이라는 양자 특성으로 정보를 처리하는 기술로, 기존 반도체의 발열·전력 문제를 해결할 차세대 기술로 주목받고 있다.
국내에서도 관련 연구가 활발하다. KAIST와 미국 아르곤국립연구소 공동 연구팀은 자성체와 초전도 공진기를 결합한 '포톤-마그논 하이브리드 칩'으로 양자 수준의 신호 전송을 입증했으며, 국내 연구진은 외부 자기장 없이도 전자 스핀을 조절할 수 있는 카이랄 자성 나노나선 구조 기술도 개발한 바 있다. 삼성전자는 2018년 세계 최초로 28나노 STT-MRAM 양산에 성공하는 등 산업계 차원의 상용화도 진척되고 있다.
시장조사기관 퓨처마켓인사이트에 따르면 전 세계 스핀트로닉스 시장은 2025년 약 18조2000억 원에서 2035년에는 약 137조2000억 원 규모로 성장할 것으로 전망된다.
KAIST 연구는 이 같은 흐름 속에서 스핀파 기반 정보처리 기술의 실현 가능성을 실제 나노 소자에서 입증했다는 점에서 의미가 크다. 모드 변환 현상이 '켜짐(1)'과 '꺼짐(0)'을 구분하는 스위치처럼 작동할 수 있어 새로운 반도체나 뉴로모픽 컴퓨팅 기술에도 응용이 기대된다.
연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈'에 지난 3월 12일 게재됐다. 김갑진 교수는 "그동안 이론으로만 제시됐던 마그논 비선형 동역학을 실제 나노 소자에서 구현하고 제어할 수 있음을 입증한 사례"라며 "전자 대신 스핀파를 활용하는 새로운 정보처리 패러다임의 발전에 중요한 기반이 될 것"이라고 말했다.
유무진(왼쪽부터) 박사후연구원, 김갑진 교수, 박민규 연구교수 (사진제공=KAIST)
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