반도체 칩의 트랜지스터 집적도 증가와 이에 따른 발열문제로 실리콘을 대체할 신소재와 반도체 기술이 활발하게 연구 중인 가운데 국내연구진이 차세대 반도체의 핵심소재인 2차원 자성원자층 구현에 성공했다.

IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 강상관계 물질 연구단(단장 노태원, 서울대 물리천문학부 교수)이 삼황화린니켈(NiPS3) 덩어리에서 기계적으로 박리해 반데르발스 힘을 갖는 물질 기반의 2차원 벌집구조 자성원자층을 세계 최초로 구현했다고 17일 밝혔다.

자성원자층은 초고속, 초저전력, 초고집적도의 특성을 갖는 차세대 반도체인 자성반도체의 핵심소재로 기대를 모으고 있다.

하지만 지금까지 대부분의 자성원자층은 고가의 장치를 이용한 산화물 박막 제작을 통해 얻어졌다. 또 원자 치환 등 기술적 응용이 힘들어 상용화가 어려웠다.

연구팀은 삼황화린니켈을 화학증기수송반응법으로 제작하고 박리해 2차원 삼황화린니켈을 추출하는데 성공했다. 또 이 물질이 155K(영하 118℃)이하에서 반강자성 정렬을 하며 단일층으로 구현하게 되면 자성을 갖는 것을 확인했다.

이번 연구에서 얻어진 삼황화린니켈 자성원자층은 자성원소인 니켈을 다른 강자성 원소인 철(Re), 코발트(C0)등 물질로 치환할 수 있어 다양한 기술적 응용이 가능할 전망이다. 특히 니켈 대신 상온에서도 자성을 갖는 물질로 치환할 수 있다면 자성반도체 상용화도 가능할 것이라는 게 연구팀의 설명이다.

이번 연구결과는 네이처의 자매지인 사이언티픽 리포트에 논문 중요지수 5.578로 지난달 15일 온라인 게재됐다.

박제근 부단장(서울대학교 물리천문학부 교수)은 "반데르발스 물질의 자성원자층 구현에 최초로 성공해 2차원 원자층의 자성현상 연구의 돌파구를 찾았다"며 "획기적인 스핀전자소자 개발을 위한 신소재 확보도 기대할 수 있게 됐다"고 연구 의의를 말했다.