빛을 내는 신비한 물질로 처음 발견된 원자번호 15번 인(P). 인 원자로 만들어진 검은 빛깔의 신소재 흑린에서 새로운 종류의 반도체가 발견됐다.

흑린(black phosphorus)은 원자번호 15번 인(P) 원자가 주름진 벌집 모양으로 배열된 물질이다. 성냥에 사용하는 적린(red phosphorus), 폭약에 사용하는 백린(white phosphorus)과 달리 매우 안정된 물질이다.

한국연구재단은 김근수 교수(연세대) 연구팀이 흑린에서 ‘유사스핀 반도체’를 발견했다고 밝혔다. 유사스핀 반도체는 기존 반도체에 비해 더 적은 전력 소모로 더 우수한 성능을 기대할 수 있다.

기존 반도체가 외부 전기신호로 전자의 흐름을 제어하는 방식으로 정보를 전달하고 저장했다면, 흑린의 유사스핀을 활용할 경우 외부 전기신호로 유사스핀의 방향을 제어하는 방식으로 보다 효율적인 정보처리가 가능하다. 유사스핀이란 두 개의 부분 격자를 갖는 물질에만 나타나는 전자의 새로운 성질로 전자 스핀과 유사한 성질을 갖기 때문에 유사스핀이라 부른다.

물질의 구성 원자가 벌집 모양으로 배열된 경우 전자의 유사스핀이란 새로운 성질이 나타나는 것은 알려져 있었으나 이 유사스핀이 정렬돼 제어할 수 있는 물질은 존재하지 않았다.

유사스핀 정렬과 방향 제어를 이용한 반도체 소자
회색 동그라미는 인(P) 원자를 나타내며 주름진 벌집 모양으로 배열되어 있다. 바탕에 흰색과 검은색은 양극과 음극으로 대전된 영역을, 붉은색과 푸른색 화살표는 서로 반대 방향으로 정렬된 유사스핀을 나타낸다. 두 영역에서 유사스핀의 상대적인 방향에 따라 저항이 달라지기 때문에 보다 효율적인 정보 전달과 저장이 가능하다. 출처 : 김근수 교수.

연구팀은 물질의 벌집구조에 특정 방향으로 주름이 생길 경우 유사스핀이 그 방향으로 정렬된다는 사실을 발견했다. 이에 주름진 벌집구조를 갖는 흑린에서 유사스핀의 방향을 측정한 결과, 95% 이상 한 방향으로 정렬되어 있음을 확인했다. 물질 속 전자의 유사스핀 방향을 측정할 수 있는 실험 기법도 직접 고안했다.

이 같은 정렬현상은 고온까지 안정적이고, 흑린의 두께와 무관하게 나타나기에 더욱 활용성이 높다.

연구팀은 유사스핀 반도체의 상용화를 위한 후속 연구로 유사스핀 반도체를 이용, 유사스핀 거대자기저항효과 발견에 도전할 계획이다. 거대자기저항효과란 전자의 스핀 정렬방향에 따라 높은 자기저항비가 나타나는 현상으로 하드디스크 등에 활용된다. 2007년 노벨물리학상이 수여됐다.

김근수 교수.

김근수 교수는 “유사스핀 반도체는 자성 반도체의 유사스핀 버전”이라며 “자성반도체의 발견이 스핀트로닉스 분야를 개척한 사례에 비춰 볼 때 유사스핀 반도체의 발견은 유사스핀트로닉스라는 차세대 반도체 연구의 신생 분야로 이어질 수 있을 것”이라고 설명했다.

연구에서 어려웠던 부분에 대해 김 교수는 “흑린의 유사스핀 방향을 측정하기 위해 일종의 간섭계를 고안했다. 이 간섭계를 학교 실험실에 구축하려면 막대한 연구비가 필요하다. 이를 극복하기 위해 미국 로렌스 버클리 국립연구소의 ‘Advanced Light Source’ 방사광가속기에 이용자 빔타임을 신청해, 약 일주일의 실험 기회를 얻었다. 한정된 시간 안에 필요한 모든 데이터를 확보하기 위해 학생들과 함께 밤낮없이 실험을 수행했다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 네이처 머티리얼스지(Nature Materials)에 2월 4일 게재됐다.

김근수 교수 연구팀.