▲ 이철의 고려대 교수

[미디어펜=류용환 기자] 고려대학교는 물리학과 이철의 교수 연구팀이 다층 그래핀 나노리본에서 선택한 층에서만 스핀전류가 흐르도록 유도하는 데에 성공했다고 16일 밝혔다.

육각형 형태로 탄소가 결합한 2차원 물질은 그래핀, 폭이 나노미터인 리본 형태로 잘라낸 것은 그래핀 나노리본이라고 부른다. 스핀은 전자가 가지는 성질 중 하나로 자석의 N·S극을 만들어내는 능력, 전자에는 두 성분의 스핀이 있으며 둘 중 하나의 상태로만 존재한다.

이번 연구를 통해 그래핀 나노리본이 기존 반도체 회로의 직접도를 높이고 차세대 메모리로 주목 받고 있는 스핀트로닉스에 활용될 수 있는 가능성을 열었다고 고려대 측은 전했다.

스핀트로닉스는 D램보다 훨씬 많은 양의 정보를 저장할 수 있고 정보 처리 및 저장을 동시에 할 수 있어 차세대 메모리 반도체구현을 위한 핵심 기술로 부각되고 있다.

이 기술은 전자의 스핀 성질을 이용해 한 쪽 방향의 스핀만을 갖는 전류를 생성하고 검출해 정보를 저장하고 삭제한다. 이를 구현하기 위해 반금속(half-metal) 물질을 활용하지만 현재 활용 가능한 half-metal은 대부분 중금속으로 무겁고 생체에 해롭다는 문제가 있었다.

연구진은 슈뢰딩거 방정식을 이용해 2층 그래핀 나노리본의 물질 상태를 계산해 원하는 층만 반금속으로 만들어 스핀 전류가 흐르게 하는 데에 성공했고 특정 층만 반금속화 하는 나노리본의 너비와 전기장의 세기를 수치로 밝혀냈다.

이를 통해 특정 외부전기장가 가해지면 한 층만 반금속이 되고 한 층은 절연상태를 유지하는 것을 확인한 연구진은 환경과 인체 유해성이 낮은 그래핀 소재를 활용함으로써 ‘10나노미터(nm)의 벽’을 뛰어넘어 전자소자의 집적도를 비약적으로 상승시키는 데 기여할 것으로 예상했다.

이철의 교수는“이번 연구결과는 구별 가능한 두 회로가 접해있는 가장 작은 형태라는 점에서 반도체 소자의 집적도를 극적으로 높일 것으로 예상되며 향후 스핀트로닉스 분야에서 차세대 성장동력의 초석이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

교육부와 한국연구재단의 기초연구사업(일반연구자지원)의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 5월7일 게재됐다.