- KIST, 6MV급 중대형 정전형 가속기 완공 - 고고학, 반도체, 신약개발 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용 가능 연대 측정 분야 뿐만 아니라 신약개발 등의 첨단 바이오 연구 및 재료 연구 분야에도 활용 가능한 6MV급 중대형 정전형 이온빔가속기 시설이 국내에 개소하였다. 우리 원은 지난 7일(목) 오전 10시, 정부 관계자 및 국내외 학계 전문가 등 50여명이 참석한 가운데 본원내의 이온빔가속기 연구동에서 이온빔가속기 시설의 준공식을 가지고 본격 가동에 들어갔다. 이온빔가속기는 물질을 부수지 않고도 내부를 자세히 들여다 볼 수 있는 장비이다. 분석대상 물질에 고에너지를 가진 여러 원소들을 가속 충돌시켜 이때 발생되는 엑스(X)선, 산란입자 등의 에너지를 측정하여 원하는 정보를 얻는 원리로, 비파괴 성분 분석, 반도체 제작 등에 쓰인다. 현재 국내 가속기 시설은 전자빔을 가속하는 포항방사광가속기가 대표적이며 최근 경주에 양성자 전용가속기가 완공된 바 있다. 그 외 원자력의학원, 국립암센터 등에서 치료 및 진단용 싸이크로트론이 활용중이며, 우리 원과 같은 정전형가속기는 지질자원연구원과 서울대학교에서 운용중이다. 중대형 가속기는 소형 가속기에 비해 이온을 표적에 충돌시켰을 때 튀어나오는 검출감도가 매우 높기 때문에 국내에서는 중대형 이온빔가속기 시설의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다. 이번에 완공된 우리 원의 이온빔가속기 시설은 6MV 및 2MV, 400kV급의 정전형 가속기로 구성되어 있다. 기존의 국내 3MV급 이하의 가속기가 탄소, 베릴륨 등의 원소만을 이용해 탄소동위원소 분석을 통한 연대 측정분야에서의 활용 등에 머물렀다면, 6MV급의 중대형 이온빔가속기는 그동안 분석에 어려움이 많았던 수소에서부터 알루미늄, 클로린, 아이오딘, 칼슘 등 무겁고 다양한 방사성 동위원소의 측정이 가능하기 때문에 기후변화대응연구 및 환경감시기술, 반도체, 신약개발, 소재산업 분야 등에 폭넓게 활용이 가능해 차세대 성장 동력 창출에 크게 기여할 것으로 예상된다. 또한, 이번에 개소한 이온빔가속기 시설에는 총 3대의 가속기에 6개의 이온원이 설치되어 있어 그동안 마땅한 이온빔 조사 시설이 없어 어려움을 겪었던 반도체를 비롯한 국내 재료분야 연구자들에게 30 keV에서 60 MeV의 에너지를 지닌 다양한 이온조사(수소-우라늄) 서비스를 지원할 수 있게 됐다. 가속기를 이용한 첨단 분석 및 재료개질 기능은 국내의 대표적 성장 동력인 반도체, 디스플레이, 이차전지, 태양광 산업의 경쟁력 제고에 특히 기여 할 것으로 기대된다. 특히 우리 원의 ‘가속기 동위원소 질량분석(AMS, Accelerator mass spectrometry)’ 장치는 기존의 소형가속기로 가능했던 방사성탄소의 분석 뿐만 아니라 6MV 중대형 이온빔가속기에서만 가능한 Cl-36, Al-26, Ca-41 등의 동위원소 정량기술을 통해 신약개발을 비롯해 의학, 바이오, 고고학, 지구 온난화, 환경오염 등 다양한 연구 분야에 활용이 가능하다. KIST 6MV 이온빔가속기의 운전특성을 평가한 결과, 탄소동위원소 연대측정의 한계를 기존의 5만년에서 6만년까지 확장할 수 있게 된 것으로 평가받고 있다. 이 AMS 기술은 한 개씩의 원자를 측정하는 초극미량 분석이 가능하기 때문에 고고학 분야 이외에도, 최근 신약개발을 비롯한 첨단 바이오 연구에도 새로운 활용분야를 열어주고 있다. C-14 를 추적자로 붙인 초극미량의 약물을 투여하여 동물실험을 거치지 않고, 인간에 대한 약물 전달, 동태를 직접적으로 확인 할 수 있다. 이러한 개념을 'Human-microdosing' 이라 부르며 이를 통해 임상전시험(pre-clinic test)에 소요되는 비용과 시간을 획기적으로 줄일 수 있다. 식약청에서는 신약개발에 있어서의 ‘Human-microdosing' 의 중요성을 인지하고 2012년, 가이드라인을 제시한 바 있으며, 서울대 ‘임상시험글로벌선도센터’ 등에서도 적극적으로 연구를 추진하고 있다. 문길주 원장은 “이번에 완공된 이온빔가속기 시설은 국가 예산으로 구축된 만큼 KIST 내부 뿐만 아니라 외부에 개방형 연구시설로 운영하여 국가대형연구시설 활용의 대표적 모범으로 자리매김할 것” 이라며 “앞으로 KIST 뿐만 아니라 국내외 과학자들이 효율적으로 활용할 수 있도록 적극적인 지원과 장비 운영 및 관리에 만전을 기할 것” 이라고 말했다. 한편 금번 완공된 중대형 정전형 가속기를 비롯한 KIST 이온빔 시설은 2006년 과학기술부(현 교육과학기술부) '첨단연구장비 구축사업' 으로 시작하여 추가로 자체 예산을 투입, 7년간 총 170억원의 재원이 소요되었다.

- 문길주 원장 “변화와 혁신을 통해 국민에게 사랑받는 연구소로 거듭날 것” - 기념식 이후 주한 개도국 과학참사관 회의 열려 우리 원은 개원 47주년을 맞이하여 2월 7일(목) 오전 11시, 본원에서 기초기술연구회 김 건 이사장, 국가과학기술위원회 임기철 상임위원 등 외빈과 직원 500여명이 참석한 가운데 개원기념식을 개최했다. 이날 행사에서 문길주 원장은 기념사를 통해 “올 한해 과학기술계와 정부출연연구기관은 큰 변화를 앞두고 있다” 며 “변화와 혁신을 바탕으로 미래기술에 도전하여 새로운 성장 동력을 창출하고, 국가적 현안인 일자리 창출에 기여하며, 국가적 사회 문제 해결을 통해 국민으로부터 사랑받는 연구소로 거듭나자” 고 말했다. 기념식에서는 지난해 인도네시아 세르퐁에 농업폐기물을 이용해 바이오에탄올을 생산할 수 있는 현지 파일럿 플랜트를 국내 기술로 설계, 구축, 운전하여 기술지원 형태의 새로운 개도국 ODA 모델을 제시한 점을 인정받아 KIST 인도네시아 ODA 사업팀이 KIST人 대상을, 나노섬유 응용기술 개발 등을 통해 국내외에 다수의 논문을 발표한 KIST 탄소융합소재연구센터의 조성무 박사가 송곡과학기술상을 수상하였다. 우리 원은 1966년 2월 10일에 개원하여 지난 반세기 동안 선진기술 개량, 첨단 핵심기술 개발, 기초/원천기술 개발 등 시대의 요구에 부합하는 국가 R&D의 선도자 역할을 수행해 왔다. 2016년 개원 50주년을 앞두고 KIST는 ‘변화와 혁신’을 통해 국가적 사회문제를 해결하고 국민을 행복하게 할 수 있는 연구를 통해 국민의 사랑과 신뢰를 받는 연구소로 거듭나겠다는 목표를 밝혔다. 한편 기념식 후 오후2시에는 KIST 국제협력관 1회의실에서 과학기술분야 ODA 사업 협력 논의를 위한 주한 개도국 과학참사관 회의가 개최되었다. 2011년 1회 회의가 개최된데 이어 올해로 3회째를 맞은 이번 회의에서는 미얀마, 페루, 베트남 등 15개국의 주한 과학담당 외교관들과 교육과학부 및 외교통상부를 비롯한 정부부처, KIST 및 KRISS(한국표준과학연구원) 등의 정부출연(연) 관계자들이 모여 한국정부의 공적개발 원조 정책 계획과 ODA 현안 문제에 관한 심도있는 논의가 이루어졌다.

상온작동 다기능 스핀논리소자 개발 - 저온에서만 작동하는 스핀트랜지스터의 온도 한계 극복 - 한 칩에 다양한 기능 직접 가능, 세계 반도체 분야 기술혁신 이끌듯 순수 국내 연구진이 전자의 자기적 특성을 활용해 상온에서 작동하는 다기능 스핀논리소자를 개발하는데 성공했다. 이 소자를 활용하면 영상, 음악, 인터넷, 정보저장 등 여러 가지 기능을 사용자의 필요에 따라 손쉽게 전환할 수 있어 기존 실리콘 반도체를 대체하는 다기능 스핀논리소자로 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 스핀융합연구센터 장준연 박사, 광전융합시스템연구단 송진동 박사 연구팀은 고려대학교 디스플레이반도체물리학과 이긍원, 홍진기 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 저온에서만 작동했던 스핀트랜지스터의 한계를 극복한 상온작동 스핀논리소자를 개발했다고 밝혔다. 연구결과는 1월 31일(온라인판, 오프라인 게재는 2월 7일 예정), 과학계 최고 권위를 자랑하는 네이쳐(Nature)에 게재되었으며 ‘주목할만한 연구(featured paper)’ 로도 선정되어 국제적으로 큰 관심을 끌고 있다. 최근 정보처리 기술은 스마트폰 등의 휴대용 전자기기의 발전과 함께 저전력, 초고속, 고성능 정보처리를 요구하고 있다. 자기적 특성을 이용한 논리소자는 전원이 꺼져도 정보가 소멸되지 않는 비휘발성을 갖고 있어 소비전력을 감소시키면서도 컴퓨터의 연산효율을 증가시킬 수 있으며, 다기능 가변형 논리 동작과 비휘발성 메모리가 동시에 집적된 새로운 형태의 논리 회로도 구현 할 수 있어 효율적인 대안으로 제시되고 있다. 이러한 우수한 특성에도 불구하고 스핀논리소자는 낮은 신호 대 잡음비, 집적도의 한계 및 낮은 작동 온도 등으로 인해 응용 가능성이 낮은 것으로 인식되어 왔다. 스핀 분극된 전자를 이용하는 스핀트랜지스터는 캐리어의 스핀방향에 따라 전기저항이 변화하는 특성을 이용하는데 저온에서만 작동하는 특성을 갖고 있어 효과적인 대안으로 제시되지 못하고 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 KIST-고려대 공동연구팀은 외부 자기장에 따라 전기저항이 매우 민감하게 변화하는 인듐비소(InSb) 반도체에 주목 하였다. 인듐비소 반도체는 전자의 이동도가 높고, 유효질량이 작아 낮은 인가 전압에서도 과잉 전자가 쉽게 생성되며 외부 자기장의 방향에 따라 전기 전도도가 크게 변화하는 특성을 갖고 있다. 연구팀은 분자빔박막성장장치(MBE)를 이용하여 원자층 수준으로 조성과 표면상태를 정밀 조절하여 고품질의 인듐비소 전자-정공 접합 반도체를 제작하였다. 그 결과 자기장으로 제어되는 스핀논리소자를 개발하는데 성공, 기본적인 논리연산인 AND, OR, NAND, NOR 연산기능을 상온에서 성공적으로 구현하였다. 또한 이 소자는 인가전압에 따라 자유롭게 연산기능을 변화시킬 수 있어(예를 들면 OR 에서 AND 또는 그 반대) 사용자의 필요에 따라 다양한 기능 구현이 가능하다. 이러한 가변형 다기능 특성으로 인해 주변환경에 따라 시시각각으로 피부색을 변화시킬 수 있는 카멜레온에 빗대어 카멜레온 프로세서라고 부르기도 한다. 이 소자가 상용화되면 한 개의 칩으로 모든 기능을 수행할 수 있어 스마트폰과 같은 전자 제품의 크기와 소비전력을 획기적으로 줄일 수 있으며, 메모리 및 논리 소자를 한 칩에 집적할 수 있어 컴퓨터를 부팅과정 없이 바로 실행할 수 있고 처리속도 또한 획기적으로 증대시킬 수 있다. 이러한 이유로 미국을 중심으로 한 선진국에서는 스핀을 이용한 전자소자를 차세대 반도체 소자 핵심기술로 인식하고 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 전기적 동작이 가능한 스핀소자를 실제로 구현한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발한 것은 이번이 처음이다. 이번 연구는 스핀전자소자의 동작온도 한계를 근본적으로 돌파 한 것으로 세계 각국과 학계의 많은 관심을 받고 있다. 한편 KIST는 지난 2009년, 기존에 이론으로만 제시되어왔던 전자의 스핀을 이용한 ‘스핀트랜지스터 소자’ 기술을 세계 최초로 개발하여 사이언스지에 발표한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발하는 개가를 이루었다. 이번 연구로 저온에서만 작동하는 스핀소자의 기술적 한계를 극복했을 뿐만 아니라 메모리 소자에 치우쳐 있는 한국 반도체 산업을 논리소자로 확대할 수 있어 실리콘 기반 반도체에 이어 차세대 반도체 산업에서도 한국이 세계적 기술 경쟁에서 유리한 고지를 선점할 수 있게 되었다. 이 연구는 주로 KIST 기관고유사업인 ‘스핀제어 정보소자기술 개발’ 연구과제 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 사진설명 <그림 1> 다기능 스핀논리소자의 별명인 “카멜레온 프로세서” 를 나타낸 삽화 몸 색깔이 주변 환경에 따라 자유자재로 변하는 카멜레온을 반도체 칩 위에 나타내고 카멜레온의 피부색을 연두색(계산), 붉은색(음악), 노란색(인터넷), 보라색(정보저장)으로 표시하여 사용자의 필요에 따라 기능 전환이 가능한 다기능 스핀논리소자의 특성을 도식적으로 나타냄 <그림 2> (a) : 본 연구에 사용한 인듐비소 전자-정공 접합소자와 측정방법을 나타낸 개략도 (b) : 다양한 전압에서 소자의 면에 평행하게 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 (c) : 다양한 전압에서 소자의 면에 수직으로 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 - (a)는 소자의 개략도. 제작된 소자의 채널 폭은 10 ㎛, 길이는 120 ㎛ - (b),(c) 는 다양한 인가 전압 (Vbias)에서 자기장의 크기와 방향에 따른 채널 전류의 변화를 보여줌 - 전류는 자기장에 따라 단순 증가하다가 특정 자기장에서 급격하게 증가함 - 기존 반도체 다이오드와는 달리 자기장에 의해 스위칭 작용을 함 <그림 3> AND, OR 논리연산을 위한 논리소자와 그 특성 - (a)는 AND. OR 논리연산을 모두 수행하는 회로 - 채널면에 평행한 z축의 양또는 음의 자기장 방향을 입력 신호 "1"과 “0”으로 표시 - 채널전류의 높고(100mA) 낮은(40mA) 상태를 각각 “1” 과 “0”의 출력신호로 정의 - 각 입력신호에 대한 출력신호를 <그림 3> (e)에 표로 정리하였음 - 인가전압 Vtotal의 크기로 AND 와 OR 연산기능을 변경 할 수 있는 가변형 논리 게이트를 나타냄. <그림 4> NAND, NOR등 다양한 논리게이트 동작 - (a)에서 PN 소자는 동일한 자기장 방향 (입력 값) 에서 NP소자의 부정 (NOT)으로 NOT 기능 - (b)는 두 개의 NP 소자 (NP3, NP4)와 PN 소자 (PN1, PN2)로 이루어진 NAND, NOR 논리게이트 회로 - 두 회로의 실험적 결과는 오른쪽의 진리표에 정리되어 있음

상온작동 다기능 스핀논리소자 개발 - 저온에서만 작동하는 스핀트랜지스터의 온도 한계 극복 - 한 칩에 다양한 기능 직접 가능, 세계 반도체 분야 기술혁신 이끌듯 순수 국내 연구진이 전자의 자기적 특성을 활용해 상온에서 작동하는 다기능 스핀논리소자를 개발하는데 성공했다. 이 소자를 활용하면 영상, 음악, 인터넷, 정보저장 등 여러 가지 기능을 사용자의 필요에 따라 손쉽게 전환할 수 있어 기존 실리콘 반도체를 대체하는 다기능 스핀논리소자로 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 스핀융합연구센터 장준연 박사, 광전융합시스템연구단 송진동 박사 연구팀은 고려대학교 디스플레이반도체물리학과 이긍원, 홍진기 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 저온에서만 작동했던 스핀트랜지스터의 한계를 극복한 상온작동 스핀논리소자를 개발했다고 밝혔다. 연구결과는 1월 31일(온라인판, 오프라인 게재는 2월 7일 예정), 과학계 최고 권위를 자랑하는 네이쳐(Nature)에 게재되었으며 ‘주목할만한 연구(featured paper)’ 로도 선정되어 국제적으로 큰 관심을 끌고 있다. 최근 정보처리 기술은 스마트폰 등의 휴대용 전자기기의 발전과 함께 저전력, 초고속, 고성능 정보처리를 요구하고 있다. 자기적 특성을 이용한 논리소자는 전원이 꺼져도 정보가 소멸되지 않는 비휘발성을 갖고 있어 소비전력을 감소시키면서도 컴퓨터의 연산효율을 증가시킬 수 있으며, 다기능 가변형 논리 동작과 비휘발성 메모리가 동시에 집적된 새로운 형태의 논리 회로도 구현 할 수 있어 효율적인 대안으로 제시되고 있다. 이러한 우수한 특성에도 불구하고 스핀논리소자는 낮은 신호 대 잡음비, 집적도의 한계 및 낮은 작동 온도 등으로 인해 응용 가능성이 낮은 것으로 인식되어 왔다. 스핀 분극된 전자를 이용하는 스핀트랜지스터는 캐리어의 스핀방향에 따라 전기저항이 변화하는 특성을 이용하는데 저온에서만 작동하는 특성을 갖고 있어 효과적인 대안으로 제시되지 못하고 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 KIST-고려대 공동연구팀은 외부 자기장에 따라 전기저항이 매우 민감하게 변화하는 인듐비소(InSb) 반도체에 주목 하였다. 인듐비소 반도체는 전자의 이동도가 높고, 유효질량이 작아 낮은 인가 전압에서도 과잉 전자가 쉽게 생성되며 외부 자기장의 방향에 따라 전기 전도도가 크게 변화하는 특성을 갖고 있다. 연구팀은 분자빔박막성장장치(MBE)를 이용하여 원자층 수준으로 조성과 표면상태를 정밀 조절하여 고품질의 인듐비소 전자-정공 접합 반도체를 제작하였다. 그 결과 자기장으로 제어되는 스핀논리소자를 개발하는데 성공, 기본적인 논리연산인 AND, OR, NAND, NOR 연산기능을 상온에서 성공적으로 구현하였다. 또한 이 소자는 인가전압에 따라 자유롭게 연산기능을 변화시킬 수 있어(예를 들면 OR 에서 AND 또는 그 반대) 사용자의 필요에 따라 다양한 기능 구현이 가능하다. 이러한 가변형 다기능 특성으로 인해 주변환경에 따라 시시각각으로 피부색을 변화시킬 수 있는 카멜레온에 빗대어 카멜레온 프로세서라고 부르기도 한다. 이 소자가 상용화되면 한 개의 칩으로 모든 기능을 수행할 수 있어 스마트폰과 같은 전자 제품의 크기와 소비전력을 획기적으로 줄일 수 있으며, 메모리 및 논리 소자를 한 칩에 집적할 수 있어 컴퓨터를 부팅과정 없이 바로 실행할 수 있고 처리속도 또한 획기적으로 증대시킬 수 있다. 이러한 이유로 미국을 중심으로 한 선진국에서는 스핀을 이용한 전자소자를 차세대 반도체 소자 핵심기술로 인식하고 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 전기적 동작이 가능한 스핀소자를 실제로 구현한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발한 것은 이번이 처음이다. 이번 연구는 스핀전자소자의 동작온도 한계를 근본적으로 돌파 한 것으로 세계 각국과 학계의 많은 관심을 받고 있다. 한편 KIST는 지난 2009년, 기존에 이론으로만 제시되어왔던 전자의 스핀을 이용한 ‘스핀트랜지스터 소자’ 기술을 세계 최초로 개발하여 사이언스지에 발표한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발하는 개가를 이루었다. 이번 연구로 저온에서만 작동하는 스핀소자의 기술적 한계를 극복했을 뿐만 아니라 메모리 소자에 치우쳐 있는 한국 반도체 산업을 논리소자로 확대할 수 있어 실리콘 기반 반도체에 이어 차세대 반도체 산업에서도 한국이 세계적 기술 경쟁에서 유리한 고지를 선점할 수 있게 되었다. 이 연구는 주로 KIST 기관고유사업인 ‘스핀제어 정보소자기술 개발’ 연구과제 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 사진설명 <그림 1> 다기능 스핀논리소자의 별명인 “카멜레온 프로세서” 를 나타낸 삽화 몸 색깔이 주변 환경에 따라 자유자재로 변하는 카멜레온을 반도체 칩 위에 나타내고 카멜레온의 피부색을 연두색(계산), 붉은색(음악), 노란색(인터넷), 보라색(정보저장)으로 표시하여 사용자의 필요에 따라 기능 전환이 가능한 다기능 스핀논리소자의 특성을 도식적으로 나타냄 <그림 2> (a) : 본 연구에 사용한 인듐비소 전자-정공 접합소자와 측정방법을 나타낸 개략도 (b) : 다양한 전압에서 소자의 면에 평행하게 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 (c) : 다양한 전압에서 소자의 면에 수직으로 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 - (a)는 소자의 개략도. 제작된 소자의 채널 폭은 10 ㎛, 길이는 120 ㎛ - (b),(c) 는 다양한 인가 전압 (Vbias)에서 자기장의 크기와 방향에 따른 채널 전류의 변화를 보여줌 - 전류는 자기장에 따라 단순 증가하다가 특정 자기장에서 급격하게 증가함 - 기존 반도체 다이오드와는 달리 자기장에 의해 스위칭 작용을 함 <그림 3> AND, OR 논리연산을 위한 논리소자와 그 특성 - (a)는 AND. OR 논리연산을 모두 수행하는 회로 - 채널면에 평행한 z축의 양또는 음의 자기장 방향을 입력 신호 "1"과 “0”으로 표시 - 채널전류의 높고(100mA) 낮은(40mA) 상태를 각각 “1” 과 “0”의 출력신호로 정의 - 각 입력신호에 대한 출력신호를 <그림 3> (e)에 표로 정리하였음 - 인가전압 Vtotal의 크기로 AND 와 OR 연산기능을 변경 할 수 있는 가변형 논리 게이트를 나타냄. <그림 4> NAND, NOR등 다양한 논리게이트 동작 - (a)에서 PN 소자는 동일한 자기장 방향 (입력 값) 에서 NP소자의 부정 (NOT)으로 NOT 기능 - (b)는 두 개의 NP 소자 (NP3, NP4)와 PN 소자 (PN1, PN2)로 이루어진 NAND, NOR 논리게이트 회로 - 두 회로의 실험적 결과는 오른쪽의 진리표에 정리되어 있음

상온작동 다기능 스핀논리소자 개발 - 저온에서만 작동하는 스핀트랜지스터의 온도 한계 극복 - 한 칩에 다양한 기능 직접 가능, 세계 반도체 분야 기술혁신 이끌듯 순수 국내 연구진이 전자의 자기적 특성을 활용해 상온에서 작동하는 다기능 스핀논리소자를 개발하는데 성공했다. 이 소자를 활용하면 영상, 음악, 인터넷, 정보저장 등 여러 가지 기능을 사용자의 필요에 따라 손쉽게 전환할 수 있어 기존 실리콘 반도체를 대체하는 다기능 스핀논리소자로 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 스핀융합연구센터 장준연 박사, 광전융합시스템연구단 송진동 박사 연구팀은 고려대학교 디스플레이반도체물리학과 이긍원, 홍진기 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 저온에서만 작동했던 스핀트랜지스터의 한계를 극복한 상온작동 스핀논리소자를 개발했다고 밝혔다. 연구결과는 1월 31일(온라인판, 오프라인 게재는 2월 7일 예정), 과학계 최고 권위를 자랑하는 네이쳐(Nature)에 게재되었으며 ‘주목할만한 연구(featured paper)’ 로도 선정되어 국제적으로 큰 관심을 끌고 있다. 최근 정보처리 기술은 스마트폰 등의 휴대용 전자기기의 발전과 함께 저전력, 초고속, 고성능 정보처리를 요구하고 있다. 자기적 특성을 이용한 논리소자는 전원이 꺼져도 정보가 소멸되지 않는 비휘발성을 갖고 있어 소비전력을 감소시키면서도 컴퓨터의 연산효율을 증가시킬 수 있으며, 다기능 가변형 논리 동작과 비휘발성 메모리가 동시에 집적된 새로운 형태의 논리 회로도 구현 할 수 있어 효율적인 대안으로 제시되고 있다. 이러한 우수한 특성에도 불구하고 스핀논리소자는 낮은 신호 대 잡음비, 집적도의 한계 및 낮은 작동 온도 등으로 인해 응용 가능성이 낮은 것으로 인식되어 왔다. 스핀 분극된 전자를 이용하는 스핀트랜지스터는 캐리어의 스핀방향에 따라 전기저항이 변화하는 특성을 이용하는데 저온에서만 작동하는 특성을 갖고 있어 효과적인 대안으로 제시되지 못하고 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 KIST-고려대 공동연구팀은 외부 자기장에 따라 전기저항이 매우 민감하게 변화하는 인듐비소(InSb) 반도체에 주목 하였다. 인듐비소 반도체는 전자의 이동도가 높고, 유효질량이 작아 낮은 인가 전압에서도 과잉 전자가 쉽게 생성되며 외부 자기장의 방향에 따라 전기 전도도가 크게 변화하는 특성을 갖고 있다. 연구팀은 분자빔박막성장장치(MBE)를 이용하여 원자층 수준으로 조성과 표면상태를 정밀 조절하여 고품질의 인듐비소 전자-정공 접합 반도체를 제작하였다. 그 결과 자기장으로 제어되는 스핀논리소자를 개발하는데 성공, 기본적인 논리연산인 AND, OR, NAND, NOR 연산기능을 상온에서 성공적으로 구현하였다. 또한 이 소자는 인가전압에 따라 자유롭게 연산기능을 변화시킬 수 있어(예를 들면 OR 에서 AND 또는 그 반대) 사용자의 필요에 따라 다양한 기능 구현이 가능하다. 이러한 가변형 다기능 특성으로 인해 주변환경에 따라 시시각각으로 피부색을 변화시킬 수 있는 카멜레온에 빗대어 카멜레온 프로세서라고 부르기도 한다. 이 소자가 상용화되면 한 개의 칩으로 모든 기능을 수행할 수 있어 스마트폰과 같은 전자 제품의 크기와 소비전력을 획기적으로 줄일 수 있으며, 메모리 및 논리 소자를 한 칩에 집적할 수 있어 컴퓨터를 부팅과정 없이 바로 실행할 수 있고 처리속도 또한 획기적으로 증대시킬 수 있다. 이러한 이유로 미국을 중심으로 한 선진국에서는 스핀을 이용한 전자소자를 차세대 반도체 소자 핵심기술로 인식하고 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 전기적 동작이 가능한 스핀소자를 실제로 구현한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발한 것은 이번이 처음이다. 이번 연구는 스핀전자소자의 동작온도 한계를 근본적으로 돌파 한 것으로 세계 각국과 학계의 많은 관심을 받고 있다. 한편 KIST는 지난 2009년, 기존에 이론으로만 제시되어왔던 전자의 스핀을 이용한 ‘스핀트랜지스터 소자’ 기술을 세계 최초로 개발하여 사이언스지에 발표한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발하는 개가를 이루었다. 이번 연구로 저온에서만 작동하는 스핀소자의 기술적 한계를 극복했을 뿐만 아니라 메모리 소자에 치우쳐 있는 한국 반도체 산업을 논리소자로 확대할 수 있어 실리콘 기반 반도체에 이어 차세대 반도체 산업에서도 한국이 세계적 기술 경쟁에서 유리한 고지를 선점할 수 있게 되었다. 이 연구는 주로 KIST 기관고유사업인 ‘스핀제어 정보소자기술 개발’ 연구과제 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 사진설명 <그림 1> 다기능 스핀논리소자의 별명인 “카멜레온 프로세서” 를 나타낸 삽화 몸 색깔이 주변 환경에 따라 자유자재로 변하는 카멜레온을 반도체 칩 위에 나타내고 카멜레온의 피부색을 연두색(계산), 붉은색(음악), 노란색(인터넷), 보라색(정보저장)으로 표시하여 사용자의 필요에 따라 기능 전환이 가능한 다기능 스핀논리소자의 특성을 도식적으로 나타냄 <그림 2> (a) : 본 연구에 사용한 인듐비소 전자-정공 접합소자와 측정방법을 나타낸 개략도 (b) : 다양한 전압에서 소자의 면에 평행하게 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 (c) : 다양한 전압에서 소자의 면에 수직으로 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 - (a)는 소자의 개략도. 제작된 소자의 채널 폭은 10 ㎛, 길이는 120 ㎛ - (b),(c) 는 다양한 인가 전압 (Vbias)에서 자기장의 크기와 방향에 따른 채널 전류의 변화를 보여줌 - 전류는 자기장에 따라 단순 증가하다가 특정 자기장에서 급격하게 증가함 - 기존 반도체 다이오드와는 달리 자기장에 의해 스위칭 작용을 함 <그림 3> AND, OR 논리연산을 위한 논리소자와 그 특성 - (a)는 AND. OR 논리연산을 모두 수행하는 회로 - 채널면에 평행한 z축의 양또는 음의 자기장 방향을 입력 신호 "1"과 “0”으로 표시 - 채널전류의 높고(100mA) 낮은(40mA) 상태를 각각 “1” 과 “0”의 출력신호로 정의 - 각 입력신호에 대한 출력신호를 <그림 3> (e)에 표로 정리하였음 - 인가전압 Vtotal의 크기로 AND 와 OR 연산기능을 변경 할 수 있는 가변형 논리 게이트를 나타냄. <그림 4> NAND, NOR등 다양한 논리게이트 동작 - (a)에서 PN 소자는 동일한 자기장 방향 (입력 값) 에서 NP소자의 부정 (NOT)으로 NOT 기능 - (b)는 두 개의 NP 소자 (NP3, NP4)와 PN 소자 (PN1, PN2)로 이루어진 NAND, NOR 논리게이트 회로 - 두 회로의 실험적 결과는 오른쪽의 진리표에 정리되어 있음

상온작동 다기능 스핀논리소자 개발 - 저온에서만 작동하는 스핀트랜지스터의 온도 한계 극복 - 한 칩에 다양한 기능 직접 가능, 세계 반도체 분야 기술혁신 이끌듯 순수 국내 연구진이 전자의 자기적 특성을 활용해 상온에서 작동하는 다기능 스핀논리소자를 개발하는데 성공했다. 이 소자를 활용하면 영상, 음악, 인터넷, 정보저장 등 여러 가지 기능을 사용자의 필요에 따라 손쉽게 전환할 수 있어 기존 실리콘 반도체를 대체하는 다기능 스핀논리소자로 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 스핀융합연구센터 장준연 박사, 광전융합시스템연구단 송진동 박사 연구팀은 고려대학교 디스플레이반도체물리학과 이긍원, 홍진기 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 저온에서만 작동했던 스핀트랜지스터의 한계를 극복한 상온작동 스핀논리소자를 개발했다고 밝혔다. 연구결과는 1월 31일(온라인판, 오프라인 게재는 2월 7일 예정), 과학계 최고 권위를 자랑하는 네이쳐(Nature)에 게재되었으며 ‘주목할만한 연구(featured paper)’ 로도 선정되어 국제적으로 큰 관심을 끌고 있다. 최근 정보처리 기술은 스마트폰 등의 휴대용 전자기기의 발전과 함께 저전력, 초고속, 고성능 정보처리를 요구하고 있다. 자기적 특성을 이용한 논리소자는 전원이 꺼져도 정보가 소멸되지 않는 비휘발성을 갖고 있어 소비전력을 감소시키면서도 컴퓨터의 연산효율을 증가시킬 수 있으며, 다기능 가변형 논리 동작과 비휘발성 메모리가 동시에 집적된 새로운 형태의 논리 회로도 구현 할 수 있어 효율적인 대안으로 제시되고 있다. 이러한 우수한 특성에도 불구하고 스핀논리소자는 낮은 신호 대 잡음비, 집적도의 한계 및 낮은 작동 온도 등으로 인해 응용 가능성이 낮은 것으로 인식되어 왔다. 스핀 분극된 전자를 이용하는 스핀트랜지스터는 캐리어의 스핀방향에 따라 전기저항이 변화하는 특성을 이용하는데 저온에서만 작동하는 특성을 갖고 있어 효과적인 대안으로 제시되지 못하고 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 KIST-고려대 공동연구팀은 외부 자기장에 따라 전기저항이 매우 민감하게 변화하는 인듐비소(InSb) 반도체에 주목 하였다. 인듐비소 반도체는 전자의 이동도가 높고, 유효질량이 작아 낮은 인가 전압에서도 과잉 전자가 쉽게 생성되며 외부 자기장의 방향에 따라 전기 전도도가 크게 변화하는 특성을 갖고 있다. 연구팀은 분자빔박막성장장치(MBE)를 이용하여 원자층 수준으로 조성과 표면상태를 정밀 조절하여 고품질의 인듐비소 전자-정공 접합 반도체를 제작하였다. 그 결과 자기장으로 제어되는 스핀논리소자를 개발하는데 성공, 기본적인 논리연산인 AND, OR, NAND, NOR 연산기능을 상온에서 성공적으로 구현하였다. 또한 이 소자는 인가전압에 따라 자유롭게 연산기능을 변화시킬 수 있어(예를 들면 OR 에서 AND 또는 그 반대) 사용자의 필요에 따라 다양한 기능 구현이 가능하다. 이러한 가변형 다기능 특성으로 인해 주변환경에 따라 시시각각으로 피부색을 변화시킬 수 있는 카멜레온에 빗대어 카멜레온 프로세서라고 부르기도 한다. 이 소자가 상용화되면 한 개의 칩으로 모든 기능을 수행할 수 있어 스마트폰과 같은 전자 제품의 크기와 소비전력을 획기적으로 줄일 수 있으며, 메모리 및 논리 소자를 한 칩에 집적할 수 있어 컴퓨터를 부팅과정 없이 바로 실행할 수 있고 처리속도 또한 획기적으로 증대시킬 수 있다. 이러한 이유로 미국을 중심으로 한 선진국에서는 스핀을 이용한 전자소자를 차세대 반도체 소자 핵심기술로 인식하고 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 전기적 동작이 가능한 스핀소자를 실제로 구현한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발한 것은 이번이 처음이다. 이번 연구는 스핀전자소자의 동작온도 한계를 근본적으로 돌파 한 것으로 세계 각국과 학계의 많은 관심을 받고 있다. 한편 KIST는 지난 2009년, 기존에 이론으로만 제시되어왔던 전자의 스핀을 이용한 ‘스핀트랜지스터 소자’ 기술을 세계 최초로 개발하여 사이언스지에 발표한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발하는 개가를 이루었다. 이번 연구로 저온에서만 작동하는 스핀소자의 기술적 한계를 극복했을 뿐만 아니라 메모리 소자에 치우쳐 있는 한국 반도체 산업을 논리소자로 확대할 수 있어 실리콘 기반 반도체에 이어 차세대 반도체 산업에서도 한국이 세계적 기술 경쟁에서 유리한 고지를 선점할 수 있게 되었다. 이 연구는 주로 KIST 기관고유사업인 ‘스핀제어 정보소자기술 개발’ 연구과제 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 사진설명 <그림 1> 다기능 스핀논리소자의 별명인 “카멜레온 프로세서” 를 나타낸 삽화 몸 색깔이 주변 환경에 따라 자유자재로 변하는 카멜레온을 반도체 칩 위에 나타내고 카멜레온의 피부색을 연두색(계산), 붉은색(음악), 노란색(인터넷), 보라색(정보저장)으로 표시하여 사용자의 필요에 따라 기능 전환이 가능한 다기능 스핀논리소자의 특성을 도식적으로 나타냄 <그림 2> (a) : 본 연구에 사용한 인듐비소 전자-정공 접합소자와 측정방법을 나타낸 개략도 (b) : 다양한 전압에서 소자의 면에 평행하게 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 (c) : 다양한 전압에서 소자의 면에 수직으로 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 - (a)는 소자의 개략도. 제작된 소자의 채널 폭은 10 ㎛, 길이는 120 ㎛ - (b),(c) 는 다양한 인가 전압 (Vbias)에서 자기장의 크기와 방향에 따른 채널 전류의 변화를 보여줌 - 전류는 자기장에 따라 단순 증가하다가 특정 자기장에서 급격하게 증가함 - 기존 반도체 다이오드와는 달리 자기장에 의해 스위칭 작용을 함 <그림 3> AND, OR 논리연산을 위한 논리소자와 그 특성 - (a)는 AND. OR 논리연산을 모두 수행하는 회로 - 채널면에 평행한 z축의 양또는 음의 자기장 방향을 입력 신호 "1"과 “0”으로 표시 - 채널전류의 높고(100mA) 낮은(40mA) 상태를 각각 “1” 과 “0”의 출력신호로 정의 - 각 입력신호에 대한 출력신호를 <그림 3> (e)에 표로 정리하였음 - 인가전압 Vtotal의 크기로 AND 와 OR 연산기능을 변경 할 수 있는 가변형 논리 게이트를 나타냄. <그림 4> NAND, NOR등 다양한 논리게이트 동작 - (a)에서 PN 소자는 동일한 자기장 방향 (입력 값) 에서 NP소자의 부정 (NOT)으로 NOT 기능 - (b)는 두 개의 NP 소자 (NP3, NP4)와 PN 소자 (PN1, PN2)로 이루어진 NAND, NOR 논리게이트 회로 - 두 회로의 실험적 결과는 오른쪽의 진리표에 정리되어 있음

상온작동 다기능 스핀논리소자 개발 - 저온에서만 작동하는 스핀트랜지스터의 온도 한계 극복 - 한 칩에 다양한 기능 직접 가능, 세계 반도체 분야 기술혁신 이끌듯 순수 국내 연구진이 전자의 자기적 특성을 활용해 상온에서 작동하는 다기능 스핀논리소자를 개발하는데 성공했다. 이 소자를 활용하면 영상, 음악, 인터넷, 정보저장 등 여러 가지 기능을 사용자의 필요에 따라 손쉽게 전환할 수 있어 기존 실리콘 반도체를 대체하는 다기능 스핀논리소자로 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 스핀융합연구센터 장준연 박사, 광전융합시스템연구단 송진동 박사 연구팀은 고려대학교 디스플레이반도체물리학과 이긍원, 홍진기 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 저온에서만 작동했던 스핀트랜지스터의 한계를 극복한 상온작동 스핀논리소자를 개발했다고 밝혔다. 연구결과는 1월 31일(온라인판, 오프라인 게재는 2월 7일 예정), 과학계 최고 권위를 자랑하는 네이쳐(Nature)에 게재되었으며 ‘주목할만한 연구(featured paper)’ 로도 선정되어 국제적으로 큰 관심을 끌고 있다. 최근 정보처리 기술은 스마트폰 등의 휴대용 전자기기의 발전과 함께 저전력, 초고속, 고성능 정보처리를 요구하고 있다. 자기적 특성을 이용한 논리소자는 전원이 꺼져도 정보가 소멸되지 않는 비휘발성을 갖고 있어 소비전력을 감소시키면서도 컴퓨터의 연산효율을 증가시킬 수 있으며, 다기능 가변형 논리 동작과 비휘발성 메모리가 동시에 집적된 새로운 형태의 논리 회로도 구현 할 수 있어 효율적인 대안으로 제시되고 있다. 이러한 우수한 특성에도 불구하고 스핀논리소자는 낮은 신호 대 잡음비, 집적도의 한계 및 낮은 작동 온도 등으로 인해 응용 가능성이 낮은 것으로 인식되어 왔다. 스핀 분극된 전자를 이용하는 스핀트랜지스터는 캐리어의 스핀방향에 따라 전기저항이 변화하는 특성을 이용하는데 저온에서만 작동하는 특성을 갖고 있어 효과적인 대안으로 제시되지 못하고 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 KIST-고려대 공동연구팀은 외부 자기장에 따라 전기저항이 매우 민감하게 변화하는 인듐비소(InSb) 반도체에 주목 하였다. 인듐비소 반도체는 전자의 이동도가 높고, 유효질량이 작아 낮은 인가 전압에서도 과잉 전자가 쉽게 생성되며 외부 자기장의 방향에 따라 전기 전도도가 크게 변화하는 특성을 갖고 있다. 연구팀은 분자빔박막성장장치(MBE)를 이용하여 원자층 수준으로 조성과 표면상태를 정밀 조절하여 고품질의 인듐비소 전자-정공 접합 반도체를 제작하였다. 그 결과 자기장으로 제어되는 스핀논리소자를 개발하는데 성공, 기본적인 논리연산인 AND, OR, NAND, NOR 연산기능을 상온에서 성공적으로 구현하였다. 또한 이 소자는 인가전압에 따라 자유롭게 연산기능을 변화시킬 수 있어(예를 들면 OR 에서 AND 또는 그 반대) 사용자의 필요에 따라 다양한 기능 구현이 가능하다. 이러한 가변형 다기능 특성으로 인해 주변환경에 따라 시시각각으로 피부색을 변화시킬 수 있는 카멜레온에 빗대어 카멜레온 프로세서라고 부르기도 한다. 이 소자가 상용화되면 한 개의 칩으로 모든 기능을 수행할 수 있어 스마트폰과 같은 전자 제품의 크기와 소비전력을 획기적으로 줄일 수 있으며, 메모리 및 논리 소자를 한 칩에 집적할 수 있어 컴퓨터를 부팅과정 없이 바로 실행할 수 있고 처리속도 또한 획기적으로 증대시킬 수 있다. 이러한 이유로 미국을 중심으로 한 선진국에서는 스핀을 이용한 전자소자를 차세대 반도체 소자 핵심기술로 인식하고 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 전기적 동작이 가능한 스핀소자를 실제로 구현한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발한 것은 이번이 처음이다. 이번 연구는 스핀전자소자의 동작온도 한계를 근본적으로 돌파 한 것으로 세계 각국과 학계의 많은 관심을 받고 있다. 한편 KIST는 지난 2009년, 기존에 이론으로만 제시되어왔던 전자의 스핀을 이용한 ‘스핀트랜지스터 소자’ 기술을 세계 최초로 개발하여 사이언스지에 발표한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발하는 개가를 이루었다. 이번 연구로 저온에서만 작동하는 스핀소자의 기술적 한계를 극복했을 뿐만 아니라 메모리 소자에 치우쳐 있는 한국 반도체 산업을 논리소자로 확대할 수 있어 실리콘 기반 반도체에 이어 차세대 반도체 산업에서도 한국이 세계적 기술 경쟁에서 유리한 고지를 선점할 수 있게 되었다. 이 연구는 주로 KIST 기관고유사업인 ‘스핀제어 정보소자기술 개발’ 연구과제 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 사진설명 <그림 1> 다기능 스핀논리소자의 별명인 “카멜레온 프로세서” 를 나타낸 삽화 몸 색깔이 주변 환경에 따라 자유자재로 변하는 카멜레온을 반도체 칩 위에 나타내고 카멜레온의 피부색을 연두색(계산), 붉은색(음악), 노란색(인터넷), 보라색(정보저장)으로 표시하여 사용자의 필요에 따라 기능 전환이 가능한 다기능 스핀논리소자의 특성을 도식적으로 나타냄 <그림 2> (a) : 본 연구에 사용한 인듐비소 전자-정공 접합소자와 측정방법을 나타낸 개략도 (b) : 다양한 전압에서 소자의 면에 평행하게 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 (c) : 다양한 전압에서 소자의 면에 수직으로 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 - (a)는 소자의 개략도. 제작된 소자의 채널 폭은 10 ㎛, 길이는 120 ㎛ - (b),(c) 는 다양한 인가 전압 (Vbias)에서 자기장의 크기와 방향에 따른 채널 전류의 변화를 보여줌 - 전류는 자기장에 따라 단순 증가하다가 특정 자기장에서 급격하게 증가함 - 기존 반도체 다이오드와는 달리 자기장에 의해 스위칭 작용을 함 <그림 3> AND, OR 논리연산을 위한 논리소자와 그 특성 - (a)는 AND. OR 논리연산을 모두 수행하는 회로 - 채널면에 평행한 z축의 양또는 음의 자기장 방향을 입력 신호 "1"과 “0”으로 표시 - 채널전류의 높고(100mA) 낮은(40mA) 상태를 각각 “1” 과 “0”의 출력신호로 정의 - 각 입력신호에 대한 출력신호를 <그림 3> (e)에 표로 정리하였음 - 인가전압 Vtotal의 크기로 AND 와 OR 연산기능을 변경 할 수 있는 가변형 논리 게이트를 나타냄. <그림 4> NAND, NOR등 다양한 논리게이트 동작 - (a)에서 PN 소자는 동일한 자기장 방향 (입력 값) 에서 NP소자의 부정 (NOT)으로 NOT 기능 - (b)는 두 개의 NP 소자 (NP3, NP4)와 PN 소자 (PN1, PN2)로 이루어진 NAND, NOR 논리게이트 회로 - 두 회로의 실험적 결과는 오른쪽의 진리표에 정리되어 있음

상온작동 다기능 스핀논리소자 개발 - 저온에서만 작동하는 스핀트랜지스터의 온도 한계 극복 - 한 칩에 다양한 기능 직접 가능, 세계 반도체 분야 기술혁신 이끌듯 순수 국내 연구진이 전자의 자기적 특성을 활용해 상온에서 작동하는 다기능 스핀논리소자를 개발하는데 성공했다. 이 소자를 활용하면 영상, 음악, 인터넷, 정보저장 등 여러 가지 기능을 사용자의 필요에 따라 손쉽게 전환할 수 있어 기존 실리콘 반도체를 대체하는 다기능 스핀논리소자로 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 스핀융합연구센터 장준연 박사, 광전융합시스템연구단 송진동 박사 연구팀은 고려대학교 디스플레이반도체물리학과 이긍원, 홍진기 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 저온에서만 작동했던 스핀트랜지스터의 한계를 극복한 상온작동 스핀논리소자를 개발했다고 밝혔다. 연구결과는 1월 31일(온라인판, 오프라인 게재는 2월 7일 예정), 과학계 최고 권위를 자랑하는 네이쳐(Nature)에 게재되었으며 ‘주목할만한 연구(featured paper)’ 로도 선정되어 국제적으로 큰 관심을 끌고 있다. 최근 정보처리 기술은 스마트폰 등의 휴대용 전자기기의 발전과 함께 저전력, 초고속, 고성능 정보처리를 요구하고 있다. 자기적 특성을 이용한 논리소자는 전원이 꺼져도 정보가 소멸되지 않는 비휘발성을 갖고 있어 소비전력을 감소시키면서도 컴퓨터의 연산효율을 증가시킬 수 있으며, 다기능 가변형 논리 동작과 비휘발성 메모리가 동시에 집적된 새로운 형태의 논리 회로도 구현 할 수 있어 효율적인 대안으로 제시되고 있다. 이러한 우수한 특성에도 불구하고 스핀논리소자는 낮은 신호 대 잡음비, 집적도의 한계 및 낮은 작동 온도 등으로 인해 응용 가능성이 낮은 것으로 인식되어 왔다. 스핀 분극된 전자를 이용하는 스핀트랜지스터는 캐리어의 스핀방향에 따라 전기저항이 변화하는 특성을 이용하는데 저온에서만 작동하는 특성을 갖고 있어 효과적인 대안으로 제시되지 못하고 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 KIST-고려대 공동연구팀은 외부 자기장에 따라 전기저항이 매우 민감하게 변화하는 인듐비소(InSb) 반도체에 주목 하였다. 인듐비소 반도체는 전자의 이동도가 높고, 유효질량이 작아 낮은 인가 전압에서도 과잉 전자가 쉽게 생성되며 외부 자기장의 방향에 따라 전기 전도도가 크게 변화하는 특성을 갖고 있다. 연구팀은 분자빔박막성장장치(MBE)를 이용하여 원자층 수준으로 조성과 표면상태를 정밀 조절하여 고품질의 인듐비소 전자-정공 접합 반도체를 제작하였다. 그 결과 자기장으로 제어되는 스핀논리소자를 개발하는데 성공, 기본적인 논리연산인 AND, OR, NAND, NOR 연산기능을 상온에서 성공적으로 구현하였다. 또한 이 소자는 인가전압에 따라 자유롭게 연산기능을 변화시킬 수 있어(예를 들면 OR 에서 AND 또는 그 반대) 사용자의 필요에 따라 다양한 기능 구현이 가능하다. 이러한 가변형 다기능 특성으로 인해 주변환경에 따라 시시각각으로 피부색을 변화시킬 수 있는 카멜레온에 빗대어 카멜레온 프로세서라고 부르기도 한다. 이 소자가 상용화되면 한 개의 칩으로 모든 기능을 수행할 수 있어 스마트폰과 같은 전자 제품의 크기와 소비전력을 획기적으로 줄일 수 있으며, 메모리 및 논리 소자를 한 칩에 집적할 수 있어 컴퓨터를 부팅과정 없이 바로 실행할 수 있고 처리속도 또한 획기적으로 증대시킬 수 있다. 이러한 이유로 미국을 중심으로 한 선진국에서는 스핀을 이용한 전자소자를 차세대 반도체 소자 핵심기술로 인식하고 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 전기적 동작이 가능한 스핀소자를 실제로 구현한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발한 것은 이번이 처음이다. 이번 연구는 스핀전자소자의 동작온도 한계를 근본적으로 돌파 한 것으로 세계 각국과 학계의 많은 관심을 받고 있다. 한편 KIST는 지난 2009년, 기존에 이론으로만 제시되어왔던 전자의 스핀을 이용한 ‘스핀트랜지스터 소자’ 기술을 세계 최초로 개발하여 사이언스지에 발표한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발하는 개가를 이루었다. 이번 연구로 저온에서만 작동하는 스핀소자의 기술적 한계를 극복했을 뿐만 아니라 메모리 소자에 치우쳐 있는 한국 반도체 산업을 논리소자로 확대할 수 있어 실리콘 기반 반도체에 이어 차세대 반도체 산업에서도 한국이 세계적 기술 경쟁에서 유리한 고지를 선점할 수 있게 되었다. 이 연구는 주로 KIST 기관고유사업인 ‘스핀제어 정보소자기술 개발’ 연구과제 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 사진설명 <그림 1> 다기능 스핀논리소자의 별명인 “카멜레온 프로세서” 를 나타낸 삽화 몸 색깔이 주변 환경에 따라 자유자재로 변하는 카멜레온을 반도체 칩 위에 나타내고 카멜레온의 피부색을 연두색(계산), 붉은색(음악), 노란색(인터넷), 보라색(정보저장)으로 표시하여 사용자의 필요에 따라 기능 전환이 가능한 다기능 스핀논리소자의 특성을 도식적으로 나타냄 <그림 2> (a) : 본 연구에 사용한 인듐비소 전자-정공 접합소자와 측정방법을 나타낸 개략도 (b) : 다양한 전압에서 소자의 면에 평행하게 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 (c) : 다양한 전압에서 소자의 면에 수직으로 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 - (a)는 소자의 개략도. 제작된 소자의 채널 폭은 10 ㎛, 길이는 120 ㎛ - (b),(c) 는 다양한 인가 전압 (Vbias)에서 자기장의 크기와 방향에 따른 채널 전류의 변화를 보여줌 - 전류는 자기장에 따라 단순 증가하다가 특정 자기장에서 급격하게 증가함 - 기존 반도체 다이오드와는 달리 자기장에 의해 스위칭 작용을 함 <그림 3> AND, OR 논리연산을 위한 논리소자와 그 특성 - (a)는 AND. OR 논리연산을 모두 수행하는 회로 - 채널면에 평행한 z축의 양또는 음의 자기장 방향을 입력 신호 "1"과 “0”으로 표시 - 채널전류의 높고(100mA) 낮은(40mA) 상태를 각각 “1” 과 “0”의 출력신호로 정의 - 각 입력신호에 대한 출력신호를 <그림 3> (e)에 표로 정리하였음 - 인가전압 Vtotal의 크기로 AND 와 OR 연산기능을 변경 할 수 있는 가변형 논리 게이트를 나타냄. <그림 4> NAND, NOR등 다양한 논리게이트 동작 - (a)에서 PN 소자는 동일한 자기장 방향 (입력 값) 에서 NP소자의 부정 (NOT)으로 NOT 기능 - (b)는 두 개의 NP 소자 (NP3, NP4)와 PN 소자 (PN1, PN2)로 이루어진 NAND, NOR 논리게이트 회로 - 두 회로의 실험적 결과는 오른쪽의 진리표에 정리되어 있음

상온작동 다기능 스핀논리소자 개발 - 저온에서만 작동하는 스핀트랜지스터의 온도 한계 극복 - 한 칩에 다양한 기능 직접 가능, 세계 반도체 분야 기술혁신 이끌듯 순수 국내 연구진이 전자의 자기적 특성을 활용해 상온에서 작동하는 다기능 스핀논리소자를 개발하는데 성공했다. 이 소자를 활용하면 영상, 음악, 인터넷, 정보저장 등 여러 가지 기능을 사용자의 필요에 따라 손쉽게 전환할 수 있어 기존 실리콘 반도체를 대체하는 다기능 스핀논리소자로 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 스핀융합연구센터 장준연 박사, 광전융합시스템연구단 송진동 박사 연구팀은 고려대학교 디스플레이반도체물리학과 이긍원, 홍진기 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 저온에서만 작동했던 스핀트랜지스터의 한계를 극복한 상온작동 스핀논리소자를 개발했다고 밝혔다. 연구결과는 1월 31일(온라인판, 오프라인 게재는 2월 7일 예정), 과학계 최고 권위를 자랑하는 네이쳐(Nature)에 게재되었으며 ‘주목할만한 연구(featured paper)’ 로도 선정되어 국제적으로 큰 관심을 끌고 있다. 최근 정보처리 기술은 스마트폰 등의 휴대용 전자기기의 발전과 함께 저전력, 초고속, 고성능 정보처리를 요구하고 있다. 자기적 특성을 이용한 논리소자는 전원이 꺼져도 정보가 소멸되지 않는 비휘발성을 갖고 있어 소비전력을 감소시키면서도 컴퓨터의 연산효율을 증가시킬 수 있으며, 다기능 가변형 논리 동작과 비휘발성 메모리가 동시에 집적된 새로운 형태의 논리 회로도 구현 할 수 있어 효율적인 대안으로 제시되고 있다. 이러한 우수한 특성에도 불구하고 스핀논리소자는 낮은 신호 대 잡음비, 집적도의 한계 및 낮은 작동 온도 등으로 인해 응용 가능성이 낮은 것으로 인식되어 왔다. 스핀 분극된 전자를 이용하는 스핀트랜지스터는 캐리어의 스핀방향에 따라 전기저항이 변화하는 특성을 이용하는데 저온에서만 작동하는 특성을 갖고 있어 효과적인 대안으로 제시되지 못하고 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 KIST-고려대 공동연구팀은 외부 자기장에 따라 전기저항이 매우 민감하게 변화하는 인듐비소(InSb) 반도체에 주목 하였다. 인듐비소 반도체는 전자의 이동도가 높고, 유효질량이 작아 낮은 인가 전압에서도 과잉 전자가 쉽게 생성되며 외부 자기장의 방향에 따라 전기 전도도가 크게 변화하는 특성을 갖고 있다. 연구팀은 분자빔박막성장장치(MBE)를 이용하여 원자층 수준으로 조성과 표면상태를 정밀 조절하여 고품질의 인듐비소 전자-정공 접합 반도체를 제작하였다. 그 결과 자기장으로 제어되는 스핀논리소자를 개발하는데 성공, 기본적인 논리연산인 AND, OR, NAND, NOR 연산기능을 상온에서 성공적으로 구현하였다. 또한 이 소자는 인가전압에 따라 자유롭게 연산기능을 변화시킬 수 있어(예를 들면 OR 에서 AND 또는 그 반대) 사용자의 필요에 따라 다양한 기능 구현이 가능하다. 이러한 가변형 다기능 특성으로 인해 주변환경에 따라 시시각각으로 피부색을 변화시킬 수 있는 카멜레온에 빗대어 카멜레온 프로세서라고 부르기도 한다. 이 소자가 상용화되면 한 개의 칩으로 모든 기능을 수행할 수 있어 스마트폰과 같은 전자 제품의 크기와 소비전력을 획기적으로 줄일 수 있으며, 메모리 및 논리 소자를 한 칩에 집적할 수 있어 컴퓨터를 부팅과정 없이 바로 실행할 수 있고 처리속도 또한 획기적으로 증대시킬 수 있다. 이러한 이유로 미국을 중심으로 한 선진국에서는 스핀을 이용한 전자소자를 차세대 반도체 소자 핵심기술로 인식하고 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 전기적 동작이 가능한 스핀소자를 실제로 구현한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발한 것은 이번이 처음이다. 이번 연구는 스핀전자소자의 동작온도 한계를 근본적으로 돌파 한 것으로 세계 각국과 학계의 많은 관심을 받고 있다. 한편 KIST는 지난 2009년, 기존에 이론으로만 제시되어왔던 전자의 스핀을 이용한 ‘스핀트랜지스터 소자’ 기술을 세계 최초로 개발하여 사이언스지에 발표한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발하는 개가를 이루었다. 이번 연구로 저온에서만 작동하는 스핀소자의 기술적 한계를 극복했을 뿐만 아니라 메모리 소자에 치우쳐 있는 한국 반도체 산업을 논리소자로 확대할 수 있어 실리콘 기반 반도체에 이어 차세대 반도체 산업에서도 한국이 세계적 기술 경쟁에서 유리한 고지를 선점할 수 있게 되었다. 이 연구는 주로 KIST 기관고유사업인 ‘스핀제어 정보소자기술 개발’ 연구과제 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 사진설명 <그림 1> 다기능 스핀논리소자의 별명인 “카멜레온 프로세서” 를 나타낸 삽화 몸 색깔이 주변 환경에 따라 자유자재로 변하는 카멜레온을 반도체 칩 위에 나타내고 카멜레온의 피부색을 연두색(계산), 붉은색(음악), 노란색(인터넷), 보라색(정보저장)으로 표시하여 사용자의 필요에 따라 기능 전환이 가능한 다기능 스핀논리소자의 특성을 도식적으로 나타냄 <그림 2> (a) : 본 연구에 사용한 인듐비소 전자-정공 접합소자와 측정방법을 나타낸 개략도 (b) : 다양한 전압에서 소자의 면에 평행하게 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 (c) : 다양한 전압에서 소자의 면에 수직으로 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 - (a)는 소자의 개략도. 제작된 소자의 채널 폭은 10 ㎛, 길이는 120 ㎛ - (b),(c) 는 다양한 인가 전압 (Vbias)에서 자기장의 크기와 방향에 따른 채널 전류의 변화를 보여줌 - 전류는 자기장에 따라 단순 증가하다가 특정 자기장에서 급격하게 증가함 - 기존 반도체 다이오드와는 달리 자기장에 의해 스위칭 작용을 함 <그림 3> AND, OR 논리연산을 위한 논리소자와 그 특성 - (a)는 AND. OR 논리연산을 모두 수행하는 회로 - 채널면에 평행한 z축의 양또는 음의 자기장 방향을 입력 신호 "1"과 “0”으로 표시 - 채널전류의 높고(100mA) 낮은(40mA) 상태를 각각 “1” 과 “0”의 출력신호로 정의 - 각 입력신호에 대한 출력신호를 <그림 3> (e)에 표로 정리하였음 - 인가전압 Vtotal의 크기로 AND 와 OR 연산기능을 변경 할 수 있는 가변형 논리 게이트를 나타냄. <그림 4> NAND, NOR등 다양한 논리게이트 동작 - (a)에서 PN 소자는 동일한 자기장 방향 (입력 값) 에서 NP소자의 부정 (NOT)으로 NOT 기능 - (b)는 두 개의 NP 소자 (NP3, NP4)와 PN 소자 (PN1, PN2)로 이루어진 NAND, NOR 논리게이트 회로 - 두 회로의 실험적 결과는 오른쪽의 진리표에 정리되어 있음