상온 양자컴퓨터 가능성 열었다… 핵심 기반 기술 확보

표준연, 세계 최초 2차원 상온에서
스커미온 생성・제어 성공
AI 반도체 개발 단초 제공

KRISS 양승모 선임연구원(왼쪽)과 황찬용 책임연구원이 2차원에서 구현한 스커미온을 시연하고 있다. ⓒ한국표준과학연구원

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)이 세계 최초로 2차원 상온에서 스커미온을 생성하고 제어하는 데 성공했다. 기존 3차원 대비 소모 전력은 낮추고 양자 효과는 극대화해 상온 양자컴퓨터, AI 반도체 개발의 핵심 기반 기술로 활용될 것으로 전망된다.

스커미온(Skyrmion)은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀(Spin) 구조체다. 이론상 수 나노미터까지 줄일 수 있다. 매우 적은 전력으로도 이동이 가능하다. 현실에서 스커미온을 자유자재로 만들고 조작할 수 있다면 초저전력・초고성능의 차세대 소자를 개발할 수 있다. 최근 관련 연구가 활발히 진행되고 있는 이유다.

기존 스커미온 응용 연구는 3차원 자석에서만 진행됐다. 그러나 지난 2017년 2차원 자석이 최초 보고된 이후 2차원 환경에서도 관련 연구가 폭넓게 이뤄졌다.

이는 3차원에 비해 2차원 환경이 갖는 장점 때문이다. 3차원 자석의 표면은 사포처럼 거칠어 스커미온을 동작할 때 마찰(열)과 잡음이 발생한다. 반면, 표면이 얼음같이 매끄러운 2차원 자석에서는 더 적은 전력을 소모해 안정적으로 동작할 수 있다. 또 2차원에 존재하는 스커미온은 3차원에 비해 크기가 작아 양자 현상이 극대화되는 장점도 있다.

KRISS는 상온의 2차원 자석에서 스커미온을 생성하고 제어하는 데 성공했다. 자석 표면에 매우 미세한 전압과 자기장을 공급해 스커미온을 구현한 후, 생성된 스커미온에 전류를 가해 원하는 방향으로 제어한 것이다.

실험 결과, 기존 3차원에 비해 스커미온 제어에 소비되는 전력이 약 1000분의 1 정도로 확인했다. 크기도 10배 이상 작아져 안정성·속도 측면에서 대폭 유리한 것으로 나타났다. 2차원 스커미온의 상온 발현 기술은 비슷한 시기에 미국과 중국에서도 보고됐는데, 발현과 더불어 전기적 제어까지 성공한 사례는 이번이 세계 최초다.

지난해 2월 연구진이 3차원 스커미온 트랜지스터를 개발한 지 약 1년 만에 2차원 환경에서도 생성・제어하는 데 성공하며 차세대 스핀트로닉스(Spintronics) 소자 개발에서 우위를 점하게 됐다. 특히 이번 기술은 상온에서 스커미온의 양자 현상을 극대화해 상온 큐비트 제작에 활용할 수 있다. 초저온 환경에서만 구동하던 기존 양자컴퓨터의 한계를 넘은 ‘상온 양자컴퓨터’ 개발의 문을 연 것이다.

KRISS 양자자기센싱그룹 양승모 선임연구원은 “최근 AI의 발전과 함께 전력 수요가 폭증하면서 초저전력 반도체 소자의 필요성이 커지는 추세”라며 “이번 개발한 스커미온 제어 기술을 응용하면 차세대 AI 반도체 소자도 설계할 수 있을 것”이라고 말했다.

과학기술정보통신부 나노및소재기술개발사업 지원을 받은 이번 연구는 KRISS 양자기술연구소 양자자기센싱그룹과 KAIST 김갑진 교수 연구팀, 성균관대학교 이창구 교수 연구팀, 미국 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL) 임미영 박사가 공동으로 참여했다. 해당 성과는 지난 5월 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF: 29.4)에 게재됐다.