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선택 층에만 스핀전류 흐르는 그래핀 나노리본 개발

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선택 층에만 스핀전류 흐르는 그래핀 나노리본 개발

이철의 고려대 교수팀, 차세대 메모리 스핀트로닉스에 활용 가능성

[글로벌이코노믹 노정용 기자] 이철의 고려대 교수팀이 다층 그래핀 나노리본에서 선택한 층에만 스핀전류가 흐르도록 유도하는 데 성공했다. 이 성과로 그래핀 나노리본이 기존 반도체 회로의 직접도를 높이고, 차세대 메모리로 각광받고 있는 스핀트로닉스에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

탄소가 육각형 형태로 결합한 2차원 물질을 그래핀이라 부르며 그래핀을 폭이 나노미터인 리본 형태로 잘라낸 것을 그래핀 나노리본이라고 한다.
스핀트로닉스는 D램보다 훨씬 많은 양의 정보를 저장할 수 있고, 정보처리와 정보저장을 동시에 할 수 있어 차세대 메모리 반도체구현을 위한 핵심 기술이다. 이 기술은 전자의 스핀 성질을 이용하여 한 쪽 방향의 스핀만을 갖는 전류를 생성하고 검출하여 정보를 저장하고 삭제한다. 이를 구현하기 위해 반금속(half-metal) 물질을 활용하는데, 대부분 중금속으로 무겁고 환경과 생체에 해롭다는 문제가 있었다.

2층 그래핀 나노리본의 구조. 2층 그래핀 나노리본을 옆에서 본 모습이다. 노란색 구는 탄소이고 하늘색 구는 수소이며 현재 보이는 방향으로 무한히 뻗어나가는 것을 가정한다. 이미지 확대보기
2층 그래핀 나노리본의 구조. 2층 그래핀 나노리본을 옆에서 본 모습이다. 노란색 구는 탄소이고 하늘색 구는 수소이며 현재 보이는 방향으로 무한히 뻗어나가는 것을 가정한다.
연구진은 전기장을 가하면 그래핀 나노리본이 반금속이 될 수 있다는 이론에 근거하여, 다층 그래핀 구조에서도 반금속 성질을 발현시켜 스핀트로닉스에 활용화기 위한 연구에 착수했다. 연구진은 슈뢰딩거 방정식을 이용해 2층 그래핀 나노리본의 물질 상태를 계산하여, 원하는 층만 반금속으로 만들어 스핀 전류가 흐르게 하는 데에 성공한 것이다.

연구진은 특정 외부전기장이 가해지면 한 층만 반금속이 되고 한 층은 절연상태를 유지하는 것을 확인했다. 외부 전기장의 방향을 바꾸면 반금속 층도 달라진다.

2층 그래핀 나노리본에서, 전기장 방향을 조절하면 선택한 층이 반금속화하는 것을 묘사한 도식도. 빨간색과 파란색은 전자스핀 성분에 해당한다. 그림 1과 같은 상태로 2층 그래핀 나노리본이 놓여 있다면, 전기장을 왼쪽에서 오른쪽으로 걸게 되면 위층이 파란 스핀에 해당하는 스핀전류가 통하게 된다. 반대로 전기장을 오른쪽에서 왼쪽으로 걸게 되면 아래층이 빨간 스핀에 해당하는 스핀전류가 흐르게 된다.이미지 확대보기
2층 그래핀 나노리본에서, 전기장 방향을 조절하면 선택한 층이 반금속화하는 것을 묘사한 도식도. 빨간색과 파란색은 전자스핀 성분에 해당한다. 그림 1과 같은 상태로 2층 그래핀 나노리본이 놓여 있다면, 전기장을 왼쪽에서 오른쪽으로 걸게 되면 위층이 파란 스핀에 해당하는 스핀전류가 통하게 된다. 반대로 전기장을 오른쪽에서 왼쪽으로 걸게 되면 아래층이 빨간 스핀에 해당하는 스핀전류가 흐르게 된다.
이번 성과는 환경과 인체 유해성이 낮은 그래핀 소재를 활용함으로써, ‘10나노미터(nm)의 벽’을 뛰어넘어 전자소자의 집적도를 비약적으로 상승시키는 데 기여할 것으로 예상한다.

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.
노정용 기자 noja@