전자(電子) 스핀 활용할 수 있는 신소재 개발
‘스핀 오비트로닉스’, 스핀을 제어하는 새로운 루트
현재의 MRAM을 뛰어넘는 차세대 MRAM 개발 기대
스핀트로닉스를 넘어 이제는 오비트로닉스를 이야기하는 시대가 됐다. 일반인들은 도무지 이해가 안 되는 연구자들의 세상으로 느껴지는데, 이 모든 것들이 우리가 사용하는 휴대폰, TV, 컴퓨터의 발전을 이끄는 것이라고 하면 ‘뭐지?’ 하면서 갑자기 관심이 생긴다. 더 작으면서도 더 빠르게 정보를 전달할 수 있다면, 우리 생활 주변의 디바이스 혁명이 일 것이다.
스핀트로닉스를 넘어 오비트로닉스로 가는 연구행보
‘거대자기 저항 효과’는 ‘인류 역사상 최초의 나노기술 응용 사례’로 손꼽히며 2007년 노벨 물리학상 수상 연구주제가 됐다. 이는 전자(電子)의 전하(+,-)뿐만 아니라 스핀(spin)이라는 물성을 활용하는 계기가 됐고 ‘스핀트로닉스’라는 신학문의 출발을 알렸다. 스핀트로닉스는 나노기술과 결합하며 ‘나노 스핀트로닉스’로 일컬어졌고, 차세대 반도체 혁명을 이끌 기술로 주목받았다. “제가 학생 때 차세대 반도체 기술로 주목받으며 연구되던 자성체 기반의 MRAM(magnetic random access memory)이 현재 삼성전자와 TSMC를 통해 양산되고 있습니다. 이제는 성능의 발전이 반도체 패권 향방을 결정지으리라 생각합니다” 그가 이야기하는 성능이란 저전력, 고밀고, 초고속을 말한다. 김상훈 교수는 얼마 전 MRAM의 소비전력을 감소시킬 수 있는 기술을 발표하며 주목받았다. 그는 ‘스핀 오비트로닉스’라 일컬으며 스핀을 제어하는 새로운 루트라고 소개했다. “MRAM의 에너지 효율을 높이기 위해서 메모리 전자의 자전 운동 격인 스핀과 공전 운동 격인 오비탈을 동시에 활용했습니다. 이러한 기술을 활용한 메모리가 스핀-오빗 토크(spin-orbit torque) MRAM으로, 현재 상용화된 MRAM의 다음 세대 기술로 전 세계적으로 연구가 집중되고 있습니다” 그의 말대로 이제는 오비탈 함수의 생성 메커니즘과 동역학을 연구하는 오비트로닉스가 어떤 반도체 혁명을 가져올지 기대가 된다. 그는 연세대 대학원에서 신소재 공학을 전공했으나, 물리에 심취해서 자성소자연구로 학위를 받고, 일본 문부성 박사후 연구원 펠로우에 선정되어 교토대학교에서 3년간 스핀트로닉스에 관해 연구했다. 그 후 2018년 울산대 물리학과에 부임해 스핀 오비트로닉스 소자 연구실을 열고, 전자의 스핀을 제어하는 새로운 루트를 계속해서 연구하고 있다.
차세대 뉴로모픽 반도체 개발
“전자의 스핀 현상을 관찰하는 연구실로 신물질 연구를 많이 하고 있습니다. 최근 2차원 자성체 물질의 전자가 상온에서 나선 형태로 존재하는 걸 관찰하며 좋은 연구성과를 기대하고 있는데요, 이렇듯 새로운 물질을 발굴하고 디자인해서 스핀 현상을 관찰하고 있습니다. 저는 자연에 존재하는 물리적인 현상을 관찰해 규명하고 응용하는 일이 재미있고, 이것이 제 연구의 원동력입니다”라며 김상훈 교수는 물리학에 대한 선입견으로 기초과학으로만 치부되는 게 아쉽다며, 물리학을 현대 최첨단 기술에 적용할 기회가 많다고 지적했다. “이런 간극을 해소하고 물리학의 과학적 지식을 공학적으로 응용하는 데 적극적으로 나서고 싶습니다” 그의 연구그룹은 현재 반강자성체를 이용한 신경 소자 개발(삼성전자 지원), 입상 자성체를 이용한 신경 소자 개발(현대자동차 지원), 비공선형 반강자성체 기반 전자소자 개발(한국연구재단 우수신진연구자 지원사업), 유럽 반도체 연구소 imec 파견지원 사업(한국산업기술진흥원 지원) 등의 과제를 진행하고 있다. 그 중 신경 소자 개발에 관심이 갔는데, 자율주행차에 적용 가능한 인공지능 반도체로 주목받는 뉴로모픽칩으로의 활용이 기대된다.
‘물리학’이 기반이 된 반도체 연구와 전문인력 양성 기대
울산대 반도체학과는 김상훈 교수가 부임할 때는 물리학과였는데, 현재 반도체학과를 거쳐 2024년도에는 나노반도체공학과로 개편될 예정이다. 반도체 분야에서 실리콘을 대체할 차세대 물질개발 연구와 반도체 소부장 분야에서 주요 역할을 할 인재양성에 담금질하고 있다 “저희가 물리학과에서 반도체학과로 바뀔 수 있었던 건, 기존 물리학과가 물질연구에 특화가 돼 있었기 때문입니다. ‘실리콘 이후의 더 뛰어난 성능을 갖는 물질을 찾자’가 저희 물질연구의 핵심이며, 관련 인력을 양성해 반도체 소부장 기업 발전의 밑거름이 되고 싶습니다” 학과는 최근 ‘반도체 전공트랙사업’에 선정됐으며, 학교에서도 전폭적인 지원을 아끼지 않고 있다. 향후 물리학이 기반이 된 기초가 탄탄한 반도체 전문 인력양성이 기대된다.
“Just do it”이라는 광고문구를 좋아한다는 김 교수는 자신을 행동파라고 소개했다. “궁금한 게 있으면 바로 실험해서 실패하기도 하고 해결하기도 하면서, 행위를 통해서 지식을 얻는 게 제 철학입니다”라며 국내에 스핀트로닉스 분야 저명한 연구자들이 많은 만큼 자신도 이에 힘입어 자신만의 연구영역을 개척하고 싶다는 바람을 피력했다. “저희가 찾은 새로운 물질이 인덕터에 활용될 수 있을 것 같아 기대가 큰데요, 관련 연구 분야를 열고 확장할 수 있도록 노력하겠습니다” 일본에서 공부해서 그런지, 일본 시티팝을 틀어놓고 자신을 리프레쉬 시킨다는 그는 대학생 때 힙합 음원을 출시할 정도로, 요즘 학생들 말로 힙한 사람이었다. 온갖 어려운 숫자의 향연인 오비탈 함수를 다루는 오비트로닉스 연구를 하다 보면, 머릿속이 복잡할 때가 있을 것 같은데, 그때 자신에게 필요한 건 감성적이고 트렌디한 음악과 학생들과 수다라고 했다. 국내 스핀 오비트로닉스 분야 촉망받는 연구자로서 그의 트렌디한 연구 행보를 기대한 본다.
[이슈메이커=임성희 기자]
