고효율 차세대 반도체 기술을 선도할 밸리트로닉스 핵심 이론 발견

밸리 도메인의 형성과 그에 따른 전류 신호 제어에 관한 모식도

차세대 반도체 기술 중 하나로 각광받고 있는 벨리트로닉스 기술 구현을 확장할 수 있는 이론을 DGIST 연구진이 발견했다. 이는 기존의 데이터 처리속도를 뛰어넘는 차세대 자성 신기술인 밸리트로닉스 기술 개발을 한 차원 도약시킬 것으로 기대된다.
DGIST(총장 국양)는 신물질과학전공 이재동 교수 연구팀이 차세대 반도체의 성능에 기여할 밸리 도메인1) 형성과 이에 따른 특이 전류 구현 및 제어 메커니즘을 발견했다고 지난달 17일 밝혔다. 이번 연구는 밸리 도메인과 전류, 서로 다른 두 물리량의 상호 관계성을 발견 및 응용한 것으로써 큰 의미를 가진다.
밸리(Valley)는 전자의 파동에 의해 발생하는 진동에너지의 꼭짓점 영역이며 밸리 스핀으로도 불린다. 이 밸리들을 결정하는 양자수를 이용해 정보를 저장 및 활용하는 방식이 밸리트로닉스인데, 기존의 전하나 스핀을 제어하는 기술을 뛰어넘어 양자 정보의 저장이 가능하기 때문에 미래 전자소자 및 양자 컴퓨팅 기술에 응용될 수 있다. 또한 차세대 반도체공학분야인 스핀트로닉스와 나노일렉트로닉스를 아우르는 무궁무진한 가능성을 가지고 있어, 현재 많은 연구자들이 밸리를 제어하려는 연구를 하고 있다. 하지만 밸리의 안정성과 충분한 양적 확보 문제가 어려워 본격적인 활용 가능성이 높지 않은 실정이다.
이재동 교수팀은 이번 연구를 통해 차세대 반도체 소재로 각광받는 이차원 단층 물질인 이황화몰리브덴에서의 밸리 도메인의 형성을 발견하여 밸리 스핀의 안정성 문제를 일거에 해결했다. 밸리 도메인이란 물질 내부에서의 전자들이 같은 밸리 운동량을 가진 영역으로 정의된다. 이를 통해 이차원 단층 물질에서 구현된 밸리 도메인이 극한적인 나노구조에서 스핀을 대신할 정보저장매개로서 활용될 수 있음을 규명했다.
더 나아가, 밸리 도메인의 크기를 제어해 ‘특이가로전류’(anomalous transverse current)를 발생시킬 수 있음을 발견하였다. 특이가로전류란 도메인 벽2)의 이동으로 인해 필연적으로 발생하며, 밸리 도메인의 움직임에 따라 항상 한 방향으로만 흐르는 전류이다. 이를 통해 이종접합이라는 기존의 반도체 다이오드3)의 방식과 구조를 탈피한 단순한 형태의 단일물질 이차원 나노구조의 다이오드 메커니즘 제안과 활용 가능성도 보여줬다.
 DGIST 신물질과학전공 이재동 교수는 “이번 연구를 통해 밸리 자성과 전기 신호 제어라는 동떨어진 두 현상을 단층 단결정 물질에서 동시에 활용할 수 있는 밸리트로닉스의 핵심 이론을 발견했다”며 “밸리트로닉스 연구가 더욱 고차원적으로 응용이 가능해 저전력, 초고속 정보저장성 플랫폼의 발전을 더욱 앞당길 수 있기를 기대한다”고 말했다.
이번 연구 결과는 DGIST 신물질과학전공 김영재 석박사통합과정 학생이 제1저자로 참여했으며, 나노 과학·기술 분야 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 온라인판에 게재됐다.