흑린에서 신개념 반도체 발견..전기는 적게 쓰고 성능은 우수

김근수 연세대 교수팀, 주름진 벌집구조 흑린에서 '유사스핀' 정렬 발견, 유사스핀트로닉스 개척 기대

유사스핀 정렬과 방향 제어를 이용한 반도체 소자. /사진=한국연구재단

국내 연구팀이 빛을 내는 인(P, 원자번호 15)의 원자로 만든 검은 빛깔의 신소재인 ‘흑린’에서 새로운 종류의 반도체를 발견했다. 기존 반도체에 비해 전기를 적게 쓰면서도 더 우수한 성능이 기대돼 주목된다. 흑린은 인 원자가 주름진 벌집 모양으로 배열돼 있는데 적린(성냥머리)이나 백린(폭약)과 달리 매우 안정된 물질이다.

한국연구재단은 김근수 연세대학교 물리학과 교수 연구팀이 흑린에서 ‘유사스핀 반도체’를 발견했다고 4일 밝혔다. 정성원 영국 Diamond Light Source 연구워노가 류세희 포항공대 물리학과 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 유사스핀은 두 개의 부분 격자를 갖는 물질에만 나타나는 전자의 새로운 성질로 전자의 스핀과 유사한 성질을 갖는다.

김근수 연세대 교수

연구팀은 외부 전기신호로 흑린의 독특한 성질인 유사스핀의 방향을 제어하는 방식으로 보다 효율적인 정보처리가 가능하게 될 것으로 분석했다. 기존 반도체 기술이 외부 전기신호로 전자의 흐름을 제어하는 방식으로 정보를 전달하고 저장한 것과 차별화된다. 그동안 물질의 구성 원자가 벌집 모양으로 배열된 경우 전자의 유사스핀이 나타나는 것은 알려져 있었으나 이 유사스핀이 정렬되어 제어할 수 있는 물질은 존재하지 않았다.

정성원 연구원

류세희 연구원

연구팀은 물질 속 전자의 유사스핀 방향을 측정할 수 있는 실험 기법을 고안, 물질의 벌집구조에 특정 방향으로 주름이 생길 경우 유사스핀이 그 방향으로 정렬된다는 사실을 발견했다. 흑린에서 유사스핀의 방향을 측정해 95% 이상 한 방향으로 정렬돼 있고 고온까지 안정적이고 흑린의 두께와 무관하게 나타나는 것을 확인했다.

앞으로 연구팀은 유사스핀 반도체의 상용화를 위해 전자의 스핀 정렬방향에 따라 높은 자기저항비가 나타나는 유사스핀 거대자기저항효과를 발견하는 데 도전하기로 했다. 2007년 노벨물리학상 주제인 거대자기저항효과는 하드디스크 등에 활용된다.

김근수 교수는 “자성반도체의 발견이 스핀트로닉스 분야를 개척한 것에 비춰보면 유사스핀 반도체의 발견은 ‘유사스핀트로닉스’라는 차세대 반도체 연구로 이어질 것”이라고 내다봤다. 이번 연구는 네이처 머티리얼스지에 게재됐다. /고광본 선임기자 [e-mail]