장시간 사용해도 스마트폰 발열·전력소모 ‘걱정없다’

KAIST, 자석 진동으로 신호 처리해 주파수 빠르게 제어
복잡한 회로 없어 발열·전력소모 ↓, 초저전력 컴퓨팅에 활용

유무진(왼쪽부터) 박사후연구원, 김갑진 교수, 박민규 연구교수. KAIST 제공.

자석의 미세한 진동인 ‘스핀파’로 신호를 처리해 스마트폰 등의 발열과 전력 소모를 크게 줄일 수 있는 기술이 개발됐다.

앞으로 발열이 적고 배터리가 오래가는 스마트기기와 초저전력·고속 컴퓨팅 등에 적용될 전망이다.

KAIST는 김갑진 물리학과 교수팀이 전자 대신 자석 내부의 스핀파를 활용해 나노 크기에서 신호 속도(주파수)를 제어하는 방법을 제시했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 아주 작은 안테나를 이용해 전자기파 신호를 보내 자석 속에 미세한 진동(스핀파)을 만들어 냈다.

이후 외부 전력과 자기장 세기를 조절하자, 이 진동의 속도(주파수)가 일정하는 변하는 게 아니라 갑자기 ‘툭’하고 바뀌는 현상이 나타났다.

신호 상태가 기존과 달리 연속적으로 변하는 방식이 아닌 특정 순간에 전혀 다른 상태로 바뀌면서 주파수가 함께 급격히 변한 것이다. 이런 모드 변환을 통해 주파수를 5㎓ 이상 급격하게 변화시킬 수 있다고 연구팀은 설명했다.

마치 라디오를 듣다가 버튼 하나로 채널을 완전히 바꾸는 것과 같은 원리다.

연구팀은 이런 변화가 스핀파의 기본 단위인 ‘마그논’이 하나에서 둘로 나뉘거나, 반대로 다시 하나로 합쳐지는 ‘삼중-마그논 상호작용’에서 발생한다는 사실을 확인했다.

마그논은 자성물질 내부에서 전자의 스핀들이 집단으로 진동하며 나타나는 파동 현상으로, 전류 흐름 없이도 정보를 전달할 수 있어 저전력 정보처리나 스핀트로닉스 소자에 활용할 수 있다.

복잡한 전자 회로 없이 스핀파의 상태 변화만으로 신호의 주파수를 제어할 수 있어 장치 구조는 더 간단하고 전력 소모는 더 크게 줄일 수 있게 됐다고 연구팀은 설명했다.

이런 현상은 켜짐(1)과 꺼짐(0)을 구분하는 스위치처럼 사용할 수 있어 새로운 방식의 반도체나 인간의 뇌를 모방한 뉴로모픽 컴퓨팅 기술에 활용될 수 있다.

김갑진 교수는 “그동안 이론만으로 제시됐던 자석 진동을 이용한 정보처리 원리를 실제 나노 소자에서 구현하고 제어할 수 있음을 입증한 사례”라며 “앞으로 초저전력 컴퓨팅, 고속 신호 처리, 전자 대신 스핀을 활용한 차세대 반도체인 스핀트로닉스 소자 등에 활용될 것”이라고 말했다.

연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 3월 12일에 게재됐다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr