[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 광주과학기술원(GIST)은 신소재공학과 이상한 교수 연구팀이 전류 대신 전압으로 자성을 제어해 전력 소모를 줄이는 멀티페로익 이종접합 기술의 연구 동향을 정리하고, 실제 소자 구현을 위한 핵심 과제를 제시했다고 10일 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 사이언스'(Advanced Science)에 지난 8월 21일 온라인 게재됐다.

컴퓨터가 정보를 저장하는 방식 중 하나는 작은 자석의 방향을 0과 1로 구분해 기록하는 것으로, 하드디스크와 자기메모리 등이 이 원리를 이용한다. 자석을 활용하면 전원이 꺼져도 정보가 유지되지만, 저장된 정보를 바꾸려면 자석 방향도 바꿔야 한다. 특히 자기메모리는 자석 방향을 바꾸기 위해 많은 전류를 흘리는 방식을 쓰는데, 이 과정에서 열이 발생해 에너지가 소모되는 한계가 있다.

이에 전류 대신 전압으로 자석 상태를 바꾸는 기술이 저전력 대안으로 주목받고 있다. 다만 전압에 반응하는 성질과 강한 자성을 하나의 물질에서 동시에 구현하기 어려워, 연구자들은 전압에 반응하는 물질과 자성을 띠는 물질을 각각 만들어 맞붙이는 '멀티페로익 이종접합'에 주목해왔다. 전압을 가하면 한쪽 물질의 전하 배치나 미세한 변형이 일어나고, 이 변화가 맞닿은 자성층에 전달돼 자석 방향에 영향을 주는 원리다.

연구팀은 기존 산화물 기반 이종접합의 한계를 보완할 대안으로 2차원 물질을 층층이 쌓은 반데르발스 이종접합에 주목했다. 산화물 기반 이종접합은 서로 다른 물질을 쌓을 때 원자 배열이 맞지 않으면 구조적 변형이나 결함이 생길 수 있는 반면, 2차원 물질은 층과 층 사이가 비교적 약한 힘으로 결합해 원자층 단위로 쌓을 수 있고 물질 조합과 원자 수준의 경계면 형성에 유리하다. 층을 겹치는 순서와 각도까지 조절할 수 있어 물질 간 상호작용을 다양하게 설계할 수 있다는 점도 짚었다.

연구팀은 이러한 2차원 물질 기반 멀티페로익 이종접합을 실제 소자로 만들기 위해 해결해야 할 과제도 제시했다. 넓은 면적에서 균일한 2차원 물질을 만들고 실온에서도 자성과 전압 반응을 안정적으로 유지하는 기술이 필요하며, 작동 온도와 자기·전기 결합 정도, 에너지 소모 등을 같은 기준으로 평가할 수 있는 체계 마련도 과제로 꼽혔다.

두 물질이 맞닿는 경계면의 품질도 중요하다. 2차원 물질은 원자 몇 층 수준으로 얇아 미세한 오염이나 결함이 생기면 자성층으로 전달되는 효과가 약해질 수 있어 오염을 최소화한 제작 공정과 보호 기술이 필요하다고 밝혔다.

이번 연구는 이상한 교수가 지도하고 이동현 석박사통합과정생, 양지웅 박사후연구원, 오인혁 박사과정생이 공동제1저자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 과기부 InnoCORE 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.

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