KIST 우성훈 박사, 美 포브스(Forbes) 발표한
‘아시아의 영향력 있는 젊은 리더 30인’에 선정


 - 미(美) Forbes 발표, ‘30 Under 30 Asia’ Healthcare & Science 부문에 선정
 - KIST 우성훈 박사(28세), 차세대 초저전력·초고속 스핀 전자소자 연구로 주목

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 27일(화, 한국시간) 미국의 3대 경제잡지 중 하나인 ‘포브스(Forbes)’가 발표한 ‘2018 아시아의 영향력 있는 30세 이하 리더 30인 (2018 Forbes 30 Under 30 Asia)’ 헬스케어 & 과학 부문에서 KIST 스핀융합연구단 우성훈 박사가 선정됐다고 밝혔다. 
 
포브스는 우성훈 박사를 아시아에서 영향력 있는 젊은 리더로 선정한 이유에 대해 “세계 최초로 무(無)전력에 가까운 초저전력을 사용하여 전자소자를 구동할 수 있는 원리를 찾아내었다”고 밝히며 “우성훈 박사의 연구 성과는 향후 스핀트로닉스 기술 및 나노물질을 기반으로 한 스핀소자가 기존 전자소자를 대체하는데 큰 기여를 할 것으로 예상된다.”고 전했다.

 

현재 KIST 차세대반도체연구소(소장, 장준연) 스핀융합연구단 선임연구원으로 재직 중인 우성훈 박사는 전자의 ‘스핀’을 이용하여 기존 실리콘 기반의 전자소자를 대체하기 위한 스핀-전자소자에 대한 원천기술을 연구해 왔다. 우 박사는 최근 전력소모가 필요 없는 ‘무전력’ 메모리 소자구현을 위한 원천 기술을 발견하여 큰 주목을 받았으며, 또한 미래 메모리/통신소자의 기본 단위로 주목받는 ‘스커미온’(Skyrmion) 입자에 대한 선도적인 연구 결과들을 발표해왔다.

 

KIST 우성훈 박사는 최근 3년간 Nature Materials, Nature Physics, Nature Communications(2편)에 주저자 및 교신저자로 논문을 발표하는 등 왕성한 연구 활동으로 해당 분야를 선도하는 젊은 과학자로 학계에서도 큰 주목을 받아왔으며, 상기 성과는 2016년 포스코 청암 과학 펠로우 선정, 2016년 삼성미래기술육성사업 연구책임자 선정, 2017년 KIST인 대상, 2017년 10대 나노기술 선정, 2017년 출연(연) 10대 성과 수상 등의 대내외 수상으로 그 성과를 인정받은 바 있다.

 

KIST 우성훈 박사는 본 포브스지의 선정에 대해 “제 연구 분야인 ‘스핀트로닉스’라는 연구의 중요성이 인정받은 것 같아 매우 기쁘다. 무엇보다 제가 하고 싶은 연구를 할 수 있는 환경과 물심양면으로 지원해주시는 동료 연구자분들께 진심으로 감사를 표하고 싶다“며, 소감을 말하며, “향후 지속적인 연구를 통해 다가올 4차 산업혁명을 선도할 새로운 초저전력·초고속 스핀-전자소자의 실용화를 위해 연구에 매진하겠다.”라고 포부를 밝혔다.

 

2016년부터 올해로 세 번째를 맞는 이번 발표(Forbes 30 Under 30 Asia)는 포브스가 매년 10개 분야의 300명의 젊은 혁신가를 선정하여, 산업 분야를 재발명하고 다양한 지역에서 변화를 주도함을 목적으로 시작되었다. 올해는 처음으로 아제르바이잔과 북한을 포함하여 아시아 태평양 전역의 24 개국을 대표하는 수천 명의 온라인 후보로 지명된 이들 중 포브스 기자단이 조사하고, 전문 심사위원 패널을 대상으로 심사를 거쳐 선정된 이들이 이번 권위 있는 목록에 이름을 올리게 된다.

 

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우성훈 박사, 이달의 KIST인상 수상

차세대 전자소자인 스핀트로닉스 분야에서 우수한 성과로 두각을 나타내
 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사는 7월 18일(화) KIST 서울 본원에서 우수한 연구업적을 인정받아 ‘이달의 KIST인상‘을 수상했다. KIST 우성훈 박사는 美 MIT와의 공동연구를 통해 ‘無 전력’ 메모리 소자의 구동 가능성을 세계 최초로 규명했다. 우성훈 박사는 이론으로만 제시되었던 스핀파(Spin Wave)를 이용한 자구벽 이동을 구현하는 연구의 논문을 물리학 유명저널인 ‘Nature Physics’ 5월호에 주저자로 게재하였으며, 향후 ‘전력 소모 0’인 신개념 메모리 소자 개발의 가능성을 열었다는 평을 받고 있다.  또한 우성훈 박사는 초미세 자기구조체인 ‘스커미온(Skirmion)’을 이용하여 신개념의 차세대 광대역 통신 소자에 적용 가능한 물리적 현상을 규명했다. 우성훈 박사는 스커미온의 호흡운동을 구현하고, 또한 효율적인 생성 기법을 개발하여 국제 학술지인 ‘Nature Communications’ 5월 24일자에 주저자이자 교신저자로 게재하였다. 본 연구는 스커미온 기반의 초저전력, 고효율의 차세대 통신소자 개발을 앞당기는데 기여할 것으로 전망하고 있다. 이에 KIST는 탁월한 연구업적을 인정하여 우성훈 박사를 ‘이달의 KIST인상’으로 선정했다고 밝혔다.  이달의 KIST인상은 원의 발전에 가장 창조적, 혁신적으로 기여한 우수 직원을 발굴하여 포상함으로써 연구(업무)활동을 활성화하고자, 해당부서장이 적격후보자를 추천하여 포상심의위원회 심의를 거쳐 최종 선정된다.

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저온에서만 작동하는 스핀 트랜지스터의 한계를 극복한 핵심기술 개발
반도체 나노선 이용하여 상온에서 높은 스핀 주입률 달성


최근 국내 연구진이 차세대 반도체 소재로 주목 받고 있는 ‘반도체 나노선’*을 이용하여 상온에서 고효율로 스핀을 주입하고 검출 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다. 연구진은 기존에 저온에서만 작동하던 한계를 극복한 상온에서 구동하는 스핀 트랜지스터 개발 가능성을 한층 높였다고 밝혔다.
*나노선 : 수십 나노미터 수준의 매우 얇은 폭을 가진 선형 구조체. 전기전자와 화학, 바이오 공학 등 첨단과학 분야에 다양하게 활용됨.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 장준연 소장, 스핀융합연구단 박태언 박사 연구팀은 질화갈륨(GaN) 반도체 나노선을 이용해 상온에서 10%이상의 높은 스핀 주입률과 주입된 스핀전자가 1 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m)이상을 이동해도 스핀정보의 큰 손실 없이 반도체 채널을 이동할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 또한 연구진은 반도체 나노선에 의해 형성된 서로 다른 결정면의 방향을 이용하여 스핀 주입신호를 제어할 수 있는 획기적 방법을 개발하였다. 연구진은 이 요소기술들을 결합하면 –200 ℃ 이하의 저온에 머물러 있던 스핀 트랜지스터의 동작온도를 상온까지 끌어 올릴 수 있어 실용화 가능성이 한층 높아질 것으로 전망했다. 이러한 연구 결과는 그동안 학계에서 주목해온 스핀 트랜지스터의 상용화를 앞당길 매우 중요한 결과로 평가받고 있다. 

<그림 1> 질화갈륨 반도체 나노선에 제작된 스핀주입소자 (a): 본 연구에 사용한 질화갈륨 나노선 기반 스핀 밸브소자와 측정방법을 나타낸 개략도 (b): 질화갈륨 나노선과 강자성체 전극간의 계면을 나타내는 개략적 단면도

기존 실리콘(Si) 반도체가 전자의 전하(-)만을 이용할 수 있었던 데 비해, 스핀 트랜지스터는 전하와 동시에 스핀을 새롭게 이용해 전자소자를 구동하는 신개념 저전력 고성능 기술로, 기존 트랜지스터에 비해 처리속도는 높은 반면 발열량이 낮다. 이 스핀 트랜지스터가 상용화될 경우 기존 반도체의 한계를 극복한 비휘발성의 초고속, 초저전력의 전자소자 개발이 가능해지므로 선진국을 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다.  2009년 KIST 연구진에 의해 세계 최초로 스핀 트랜지스터 기술을 선보인 이래, 스핀 트랜지스터의 동작온도를 올리기 위한 많은 연구가 수행되었으나 여전히 저온에서만 작동하는 단점으로 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있었다. 상온에서 동작하는 스핀트랜지스터를 개발하기 위해서는 10%이상의 높은 스핀 주입률과 주입된 스핀이 500 나노미터(nm) 이상의 스핀완화거리를 가져야하는데, 이번 연구진의 연구결과는 상온에서 구동이 가능한 스핀 트랜지스터의 한계를 극복하게 되었다는 의미가 있다. KIST 장준연 박사는 “반도체 스핀 트랜지스터를 개발하는데 가장 중요한 요소인 동작온도를 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것”이라고 전하며, “본 연구결과를 통해 입증하였듯이 저차원 나노소재를 활용한 새로운 기술은 스핀 트랜지스터의 동작온도 뿐만 아니라 소자성능 및 집적도를 극적으로 높일 것으로 예상되며, 향후 스핀트로닉스 기술 발전에 큰 기여를 할 수 있을 것”이라 밝혔다.

<그림 2> 스핀 트랜지스터의 구조와 소스 전극에서 주입된 스핀전자가 드레인 전극으로 이동하는 중 게이트 전압의 영향으로 세차운동을 하는 모습을 나타내는 개략도


본 연구는 미래창조과학부 나노소재개발사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)’ 6월 2일자(금)에 온라인 게재되었다.

* (논문명) Large spin accumulation and crystallographic dependence of spin transport in single crystal gallium nitride nanowires
        - (제1저자) 한국과학기술연구원 박태언 연구원   
        - (교신저자) 한국과학기술연구원 장준연 책임연구원

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N형, P형 반도체 기능을 모두 수행하는 스핀 트랜지스터 개발
반도체 공정을 획기적으로 줄이면서 비메모리 반도체 분야에 응용 가능

 

국제전기전자기술자협회(IEEE)를 주축으로 이뤄진 국제 디바이스·시스템(IRDS) 로드맵이 발간한 기술 백서에 따르면 현재 반도체 생산에 활용되고 있는 상보성 금속산화막 반도체(Complementary Metal–Oxide Semiconductor, CMOS*) 공정기술은 2024년을 기점으로 더 이상 발전이 없을 것으로 예상됐다. 따라서 포스트 CMOS와 ‘모어 무어(More Moore)’시대를 열기 위한 연구가 대두되고 있는데, 최근 국내 연구진이 전자의 스핀을 이용하여 현재 반도체 집적회로인 CMOS를 대체할 수 있는 방법을 개발했다고 밝혔다.
*CMOS(상보성 금속산화막 반도체) : 집적 회로의 한 종류로, 마이크로프로세서나 SRAM 등의 디지털 회로를 구성하는 데에 이용된다. 양(+)의 전하를 이용하는 P형 트랜지스터(p-MOS)와 음(-)의 전하를 이용하는 N형 트랜지스터(n-MOS)를 동일 칩에 넣어 양자가 상보적으로 동작하도록 하여 전력소모를 낮추는 방식

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 구현철 박사팀은 기존 반도체 기술인 CMOS에서 반드시 필요했던 N형, P형 트랜지스터의 별도 제작 없이, 전자의 스핀특성을 이용하여 두 가지 기능을 모두 수행하는 트랜지스터를 구현하였다. 그동안 스핀트랜지스터는 상당한 잠재력을 가지고 있었지만 CMOS 로직 소자로의 동작을 보여주지 못했었다. 연구진은 전자의 스핀이 가지고 있는 평행/반평행 성질을 이용하여 CMOS 로직 소자 동작을 구현하였으며 관련 특허를 국내외에 출원했다. 이번 연구성과는 과학저널인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 紙에 4월 21일(한국시간)자로 온라인 게재되었다.스핀트랜지스터 기술은 그동안 반도체가 전자의 전하만을 이용할 수 있었던 것에 비해, 전하와 동시에 전자의 스핀을 이용하여 정보를 저장 또는 처리하는 신기술로서, 기존 반도체의 한계를 극복한 비휘발성의 초고속, 초저전력의 전자소자 개발이 가능해진다. 본 연구진에 의해 최초로(2009년 Science紙 게재**) 제안된 이 트랜지스터는, 그러나 실제 회로에 응용하기 위해서 N형, P형 트랜지스터를 모두 구현해야하는 여러 가지 어려움이 있었다.
**Control of Spin Precession in a Spin-Injected Field Effect Transistor (Science紙, 2009년 9월 18일)

<그림 1> CMOS 동작을 위한 평행형 (N형기능), 반평행형(P형기능) 스핀 트랜지스터

<그림 2> 스핀 트랜지스터를 이용한 CMOS 소자 (좌) 및 신호 (우). P-형 트랜지스터(우 상단)와 N-형 트랜지스터(우 하단)의 기능을 전자의 스핀을 이용하여 보여주고 있다.

트랜지스터를 컴퓨터 중앙처리 장치와 같이 실제 로직소자에 응용하기 위해서는 N형(-), P형(+) 트랜지스터를 모두 이용해야하는데 제작과정에 많은 공정과 비용이 필요하다. 특히 스핀트랜지스터는 제작에도 많은 노하우가 필요할 뿐 아니라 N형, P형을 별도로 제작하는 연구는 전무했다. 이번 연구결과는 트랜지스터의 입력부와 출력부를 서로 같은 자화 방향으로 만들거나 서로 반대의 자화 방향으로 만들어 각각 N형과 P형의 기능을 모두 구현함으로써 특별한 도핑과정 없이 두 가지 역할을 모두 수행하는 트랜지스터를 개발한 것이다. 이러한 기술은 향후 상용화가 된다면 세계 수준인 반도체 메모리 기술에 비해 취약한 국내 시스템 반도체(비메모리) 분야에 다양하게 이용될 수 있으며 이 기술이 가진 초고속, 초절전 특성으로 인해 다양한 전자기기, 특히 모바일 기기에 응용될 것으로 기대된다. KIST 구현철 박사는 “현재 스핀트랜지스터 기술은 시작하는 단계에 있지만 이를 이용한 로직소자가 개발되면 전력손실이 거의 없고 초고속으로 작동할 것이다.”라며, “향후 정보처리 소자는 물론 메모리와 로직을 융합한 모바일용 소자에도 응용이 가능할 것이다” 라고 밝혔다.

 

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 연구재단 중견연구사업으로 수행되었다. 


 * (논문명) Complementary spin transistor using a quantum well channel
          - (제1저자) 한국과학기술연구원 박윤호 박사과정       
          - (교신저자) 한국과학기술연구원 구현철 박사

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빛의 각운동량으로 인한 자성체의 자화방향을 초고속으로 조절하는 원리
기존보다 수천 배 빠른 초고속 스핀 메모리 소자에 응용 기대

 

스핀 메모리(MRAM)는 메모리 반도체의 패러다임을 바꿀 차세대 반도체로 각광받고 있다. 최근 국내 연구진이 기존의 스핀 메모리 동작 방법인 자기장이나 전류를 공급하여 자화방향을 바꾸는 방법이 아닌, ‘빛’만으로 자화방향을 바꿀 수 있는 기존보다 수천 배 빠른 초고속 스핀 메모리의 동작 원리를 규명했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 최경민 박사는 미국   일리노이 주립대학 안드레 슐리프(Andre Schleife) 교수, 데이비드 케이힐(David Cahill) 교수 연구팀과 3년간의 공동연구를 통해, 편광(偏光, polarization)* 된 빛의 각운동량** 방향에 따라 금속 자성체의 자화(磁化, magnetization) 방향이 움직이는 현상을 발견하고, 물리적 원리를 밝혔다. 또한 연구진은 빛을 통해 자성체의 자화 방향을 피코초(ps, 1조분의 1초)수준의 초고속으로 조절 가능한 것을 실험을 통해 규명했다.
*편광 : 편광판을 통과하여 특정한 방향으로만 진동하는 빛
**각운동량 : 회전 운동하는 물체의 운동량

<그림 1> 빛의 편광에 의한 자성체 자화 방향의 조절에 대한 도식(Schematic) 편광된 빛이 자성체에 입사되면, 역페러데이 효과(Bopt)로 인하여 자성체의 자화(M)에 회전력(torque)을 발생시킨다.

빛의 각운동량과 자성체 자화 사이의 상호 작용은 1845년 영국의 과학자 패러데이(Michael Faraday)가 발견한 현상으로, 빛이 자성체를 통과하면 각운동량이 변하는 것을 발견했고, 이 현상을 ‘패러데이 효과’라고 명명했다. 페러데이 효과는 자화의 방향을 빛으로 알 수 있는 방법을 제시하여 자기광학의 기초이자 현대 전자파 기술의 막을 열었다고 할 수 있다. KIST 최경민 박사는 자화의 방향을 빛으로 읽는 페러데이 효과의 반대개념인 ‘역(逆)패러데이 효과’로 빛의 각운동량의 방향에 따라 금속 자성체의 자화 방향이 반대로 움직이는 것을 최초로 밝혔다. 이러한 빛과 자성체 사이의 상호작용은 스핀 메모리의 새로운 동작원리를 제시한다. 기존 스핀 메모리의 작동을 위한 자화 방향 조절에는 자기장 또는 전류의 공급이 필요했으며, 속도는 나노 초(ns, 10억분의 1초) 수준이었다. 이에 비해 연구진이 규명한 스핀 메모리의 동작원리는 빛을 사용하기 때문에 훨씬 빠른 피코 초(ps, 1조분의 1초) 수준의 속도로 조절 가능하여 초고속 메모리 구동에 대한 응용 연구가 가능할 것으로 기대된다.  KIST 최경민 박사는 “자기장이나 전류가 아닌 새로운 방법에 의한 스핀 메모리 동작에 관한 연구가 필요한 시점이다”라고 말하며, “본 연구결과가 제시하는 빛과 자성체의 상호작용은 초고속 스핀메모리에 응용될 수 있다”고 밝혔다.

<사진 1> KIST 최경민 박사가 빛의 각운동량으로 자성체의 자화방향을 초고속 (피코초, ps)으로 조절하는 원리를 실험하고 있다.

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 국가과학기술연구회(NST) 창의형 융합연구사업으로 수행되었으며, 연구결과는 과학분야 세계적인 권위의 저널인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 4월 18일(화)자 온라인 게재되었다. 

 

 * (논문명) Optical-helicity-driven magnetization dynamics in metallic ferromagnets    
          - (제1저자) 한국과학기술연구원 최경민 선임연구원       
          - (교신저자) 한국과학기술연구원 최경민 선임연구원

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