인텔의 공동창업자 고든 무어는 1965년 한 경제紙 기고문에서 “18개월마다 반도체 칩의 트랜지스터 개수가 2배씩 증가하고, 이에 따라 반도체 성능도 2배씩 좋아질 것”이라고 예측했다. 이와 같은 ‘무어의 법칙’은 불가능할 것이라는 일각의 우려를 불식시키고, 지난 50여 년간 정확히 적중해 반도체 산업을 이끌었다. 하지만 기존 주류 실리콘 반도체가 트랜지스터 집적기술의 한계와 다수 전자 흐름에 따른 발열 문제로 고집적화에 제동이 걸림에 따라, 이를 대체할 새로운 반도체 기술과 이를 구현할 신소재에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

그 중 하나의 대안으로 꼽히는 것이 자성반도체다. 디지털신호는 2진법으로 연산되는데, 현재 실리콘 기반의 반도체는 수십~수백개의 음전하(전자)를 ‘1’, 양전하(홀)를 ‘0’으로 인식한다. 그렇기 때문에 신호들을 읽어내기 위해서는 다수의 전자가 필요하며, 이로 인한 전력소모와 발열량은 막대하다. 이에 반해 자성반도체는 단 1개의 전자가 갖는 양자역학적 개념인 스핀(업 또는 다운)만으로 ‘1’과 ‘0’의 신호를 전달할 수 있어, 초고속, 초저전력 및 초고집적 반도체 특성 구현이 가능해진다.

IBS 강상관계 물질 연구단은 이러한 자성반도체의 상용화를 앞당길 핵심 소재인 자성원자층 물질을 제작하는데 성공했다. 연구진은 자성 발데르발스 물질인 삼황화린니켈(NiPS3)을 화학증기수송반응법(CVT, Chemical Vapor Transport)으로 제작 후 박리해, 자성원자층인 2차원 삼황화린니켈을 추출했으며 155K 이하 온도에서 자성을 갖는 것을 확인하였다. 지금까지 자성원자층은 고가의 PLD(Pulse Laser Deposition) 장치를 이용해 산화물 박막형태로 제작됐으나, 산화물의 경우 원자의 치환이 힘들어 상용화할 수 있는 형태의 화합물로 응용이 어려웠다.

이번 연구로 니켈(Ni)을 다른 강자성 원소인 철(Fe), 코발트(Co) 등으로 치환해 다른 자성원자층을 구현할 수 있어, 다양한 기술적 응용이 가능할 전망이다.

이번 연구를 주도한 박제근 부단장(서울대학교 물리천문학부 교수)은 “반데르발스 물질의 자성원자층 구현에 최초로 성공해, 2차원 원자층의 자성현상 연구에 새로운 돌파구를 찾았다”며 “반데르발스 물질이 갖는 우수한 집적호환 특성을 살려, 그래핀 등과의 스핀전자소자 응용 가능성에 획기적 전환점을 가져올 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 네이처의 자매지인 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports, IF 5.578) 온라인 판에 2월 15일 게재됐다.

▲ 원자구조 및 박리된 삼황화린니켈(NiPS₃)의 광학적 특성

▲ 박리된 삼황화린니켈(NiPS₃)의 원자간력 현미경(AFM)사진

▲ 박리된 NiPS₃의 라만 스펙트럼

대외협력실 김한섭