[POSTECH · 충남대 · KAIST, 나노 규모의 금 구조물 이용해 스핀파 전달 효율 향상 성공]

기계공학과 진현규 교수 · 박상준 박사(現 일본 물질재료연구기구 박사후연구원) 연구팀이 충남대 신소재공학과 정종율 교수 연구팀, KAIST(한국과학기술원) 물리학과 김세권 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 전자기기 발열 문제를 해결할 차세대 기술로 주목받고 있는 스핀파(spin wave)^*1 활용 기술의 상용화 가능성을 획기적으로 높이는 데 성공했다. 이번 연구는 세계적인 학술지 ‘셀(Cell)’ 자매지인 ‘매터(Matter)’ 온라인판에 지난 9월 26일 게재됐다.

스마트폰이나 컴퓨터를 오래 사용하다 보면 어느 순간 기기가 뜨거워져 깜짝 놀랐던 경험이 있을 것이다. 이는 기기 내부에서 전자가 이동하며 데이터를 처리하고 저장하는 과정에서 일부 에너지가 열로 변환되기 때문이다. 인공지능과 클라우드 컴퓨팅 기술이 발달하면서 전자기기는 점점 더 작고 복잡해지고, 이에 따라 발열 문제도 더욱 심각해지고 있다.

이러한 전자기기의 발열 문제를 해결할 방법으로 ‘스핀파’를 활용한 정보 전달 기술이 주목받고 있다. 스핀파는 자성을 가진 절연체에서 전자의 스핀 특성을 이용해 전자의 흐름 없이도 정보를 전송할 수 있는 파동이다. 최근 물질 내 스핀파의 온도 불균형이 커지면 – 즉 물질 내 한쪽의 스핀파는 뜨거워지고 다른 쪽의 스핀파는 차가워지는 경향이 커지면 – 스핀파의 정보 전달 효율이 높아진다는 사실이 연구를 통해 밝혀졌다. 하지만, 스핀파의 온도를 독립적으로 조절할 수 있는 기술은 아직 없는 상황이다.

POSTECH · 충남대 · KAIST 공동 연구팀은 자동차 엔진의 열을 식히는 라디에이터 핀(fin)에서 착안하여 새로운 접근방식을 개발했다. 연구팀은 자성을 가진 절연체 박막 한쪽 끝에 나노미터 규모의 금 구조물을 추가하고, 금 구조물 함량에 따라 온도를 효과적으로 조절하도록 설계했다. 이 금 구조물은 해당 위치에 있는 스핀파의 온도를 효과적으로 낮춰, 물질 내에서 스핀파의 온도 불균형을 유도했다. 실험 결과, 연구팀의 박막은 기존 대비 스핀파 전달 효율이 250% 이상 향상됐다. 국내 공동 연구팀이 스핀파의 온도를 독립적으로 제어하는 데 성공하며 스핀파 전달 효율을 높이는 방법을 최초로 제시한 것이다.

 

연구를 이끈 진현규 교수는 “전자기기의 발열 문제를 해결하는 차세대 정보 전달 기술 개발에 중요한 전환점이 될 것”이라며 이번 연구의 의의를 전했다. 논문 1저자인 박상준 박사는 “기존의 한계를 극복한 이 기술은 향후 스핀파를 활용하는 다양한 응용 분야에 활용될 가능성이 크다”라고 전했다.

한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단, 교육과학기술부의 지원을 받아 수행됐으며 삼성휴먼테크논문대상 에너지 및 환경 부문 은상을 수상했다.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.08.023

1. 스핀파(spin wave)
자성 절연체 내에서 한 방향으로 정렬된 국지화된(localized) 전자들의 스핀이 온도 구배나 교류 전류 등에 의해 여기되어(excited) 발생하는 파장(wave)을 말한다.