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1 2016 SEPTEMBER vol.2 no.9 ISSN 융합연구리뷰 Convergence Research Review 양자역학 전자소재 구현에 활용되다 스핀트로닉스 미래의 블루오션 극한환경 기술 전쟁

2 kist 호-2:호호호호 호호 1:06 Page 3 목차 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 03 편집자주 양자역학 전자소재 구현에 활용되다 스핀트로닉스 04 (리뷰) 스핀트로닉스 : 전자소자를 넘어 스핀소자로 37 국가 R&D 현황분석-스핀트로닉스 미래의 블루오션 극한환경 기술전쟁 41 (리뷰) 극한환경의 이해와 극복을 위한 융합연구 추진방향 57 국가 R&D 현황분석-극한환경 기술 발행일 2016년 9월 12일 발행인 하성도 발행처 한국과학기술연구원 융합연구정책센터 서울특별시 성북구 화랑로 14길 5 tel l 편집 (주)디자인끌림 tel

3 ㅣ편집자주ㅣ 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 20 세기들어와소개된양자역학은그당시까지완벽하다고믿어오던고전역학을뒤엎으며세상을변화시켜 왔다. 그리고 21 세기에이른현재양자역학은또한번세상의급격한변화를가져오려하고있다. 전하의성 질을바탕으로개발된기존의전자소재는 20 세기후반부터지속적인 R&D 를통해소형화, 저전력화, 고성능 화를이루었으나, 현재는그원리의물리적한계에부딪혀더이상의발전이어려운상황이다. 이에기존의전 자소재의물리적한계를뛰어넘는새로운소형, 저전력, 고성능전자소재의연구개발이활발히이루어지고있 다. 그중대표적으로제시되고있는방식이바로스핀트로닉스기반전자소재이다. 전자의전하성질만을이 용하는것이아닌전자의양자역학적특성인회전특성까지이용하는스핀트로닉스기술은일찌감치양자역 학의등장과함께그개념은제안되었으나, 실질적인구현은자기장의조절의어려움으로인하여 20 세기후 반에들어서야가능하게되었다. 하지만 21세기초급속한나노기술의발전과함께자기장의조절이수월해지면서급속도로실용화가능성이높아지고있다 이에이번호의 1부에서는현재전자소재의물리적한계를양자역학이라는기초과학과나노기술이라는융합기술의만남을통해극복하고자하는스핀트로닉스의개념및연구동향, 향후연구방향을소개함으로써, 기초물리와전자소재의활발한융합연구를통해향후전자소재분야에서도우리나라가전세계산업시장의주도권을잡아갈수있기를기대해본다. 미래의블루오션극한환경기술전쟁 우주, 심해, 극지등의극한환경은아직인류의본격적인발걸음이닿지않은미지의개척영역으로아직남아있다. 20세기들어이미지의영역에접근하기위해인간은다양한노력을수행하여왔으나, 아직그수준은미미한상황이다. 고온, 저온, 고압, 저압, 진공, 고전가기장등과같은극한환경에서는우리가일상적으로활용하던장비가동작을하지않을가능성이있기때문에선진국을중심으로이러한극한환경의미지영역탐사, 개발을위한기술개발은활발히이루어지고있다. 이로인해미래의블루오션이라할수있는환경에서의선진국과후발국간의기술격차는점차확대되고있으며, 이는 50년뒤국가경쟁력을가늠하는중대한기술이될것이라많은이들이예견하고있다. 이에이번호의 2부에서는다양한학문의융합을바탕으로극한환경에서의인간의생존또는기기의활동을위해필요한기술이라총칭할수있는극한환경기술의연구동향및연구방향, 향후활용분야등에알아봄으로써, 융합연구를바탕으로과거우주과학기술이그랬던것처럼다양한분야에파급효과를끼칠것이라생각되는극한환경기술분야에서기술적선점을위한아이디어들이활발히나와미래우리나라의핵심산업기술로성장해나가기를기대해본다.

4 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 스핀트로닉스 : 전자소자를넘어스핀소자로 글 한국과학기술연구원차세대반도체연구소우성훈박사 (shwoo_@kist.re.kr) 서론 모든물질은원자로이루어져있고, 각각의원자는전기적 자기적성질을띤다. 우리모두가어릴적과학시간에쉽게접하는내용이다. 이문장에서전기적성질의기초가되는것이원자를구성하는전자의 전하 이며, 전자가회전하는방향을일컫는 스핀 에따라각각의원자는다른자기적성질을갖는다. 하지만대부분의사람들에게 전하 라는말은친숙하지만 스핀 이라는용어는아직까지쉽게이해되지않는다. 이는아마도현대사회에전하를기본으로한전기-전자소자가이루어낸많은결과물들과무관하지않을것이다. 특히지난반세기동안, 반도체기반의전자소자는급속한기술적진보를통해오늘날의정보화시대를주도해오고있다. 하지만최근반도체기반전자소자기술은물리적현상및제조공정에있어근본적인한계에접근하고있다. 이에반하여, 더욱빠른속도로팽창하고발전해나가는현대사회의모습을볼때, 이러한한계를극복하고현재기술을더욱발전시킬수있는새로운차세대전자소자기술의출현이강하게요구되고있는상황이다. 전자소자가한계에다다름에따라가장크게주목받는미래기술중하나가 스핀 을기반으로한스핀트로닉스 (Spintronics) 기술이다. 기존의전자소자기술인일렉트로닉스 (Electronics) 는전자의두가지특성인전하와스핀중에서양자역학적인스핀을고려하지않고전하만을제어하는데반해, 스핀트로닉스기술은전자의전하와스핀을동시에제어하는기술로서이기술을이용한스핀전자소자의개발을통해기존전자소자의기술적한계를극복할수있을것으로전망되고있기때문이다. 특히, 스핀전자소자는스핀의고유특성인비휘발성 (Non-volatility) 뿐만아니라초고속, 초저전력및초고주파등의특성을가지고있기때문에차세대전자소자로서의가능성이매우높은것으로판단된다. 특히최근급속도로발전한나노테크놀로지 (NT) 와의융합을통해, 스핀소자를실생활에서접할기회도멀지않았다. 이에본융합연구리뷰에서는현대사회가접한전자소자의문제점을시작으로, 스핀트로닉스의필요성, 원리, 현재연구동향및앞으로스핀트로닉스가나아가야할방향에대해서살펴보고자한다. 5

5 무너진무어의법칙 (Moore s Law)! 새로운전자소자의시대 그동안전세계전자소자관련산업은, 1970 년대이후 40여년동안 무어의법칙 을따라발전해왔다. 인텔의공동창업자인고든무어 (Golden Moore) 는마이크로칩에저장할수있는데이터의양이약 1년 6개월마다 2배씩증가한다고예측했고, 놀랍게도실제로지난 40 여년동안반도체업계에서는무어의법칙을따라마이크로칩의소자집적도가향상되어왔다. 즉, 한정된공간에더많은전자소자를만들수있게됨으로서크기는더작지만훨씬큰용량을가지고빠르게작동하는제품들을생산해낼수있게되었다. 이러한기술의향상아래현대사회의우리는스마트폰, 태플릿 PC 등의매우유용한상품들을사용할수있게되었다 [ 그림 1] Transistors per chip Clock speeds (MHz) Size (mm ) Mainframe Minicomputer Personal computer Laptop Smartphone Embedded processors 그림 년부터 2016 년까지무어의법칙을따라향상된마이크로칩소자의집적도 (Transistors per chip) 및속도 (Clock Speeds) ( 좌 ). 소자의집적도와속도향상에따라변화된실제전자기기의크기 ( 우 ) 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 6

6 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 하지만지난 40년간불문률처럼지켜져온무어의법칙이, 오는 2020 년을전후로는물리적인한계에다다르게되어그명을다할것으로보인다 년현재, 우리가사용하는메모리소자의대표격이자전자소자기술의최고봉에있는 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 의경우에는 15nm 공정을통해생산되고있다. 간단히말해, 우리가사용하는메모리소자의가장기본단위가 15nm 의길이를가지는것이다. 현재의기술력및예측에따르면, 2020 년에는최소 2-3nm( 원자 10개크기 ) 정도의공정까지도달할수있을것으로예상되지만 1, 소자의크기가더작아질경우에는불확실한양자현상의개입등으로인하여기존메모리소자와같은동작이불가능해지게된다. 이러한전자소자의현실이무색하게, 최근들어전세계적으로개인용모바일전자기기등을비롯한각종정보제품들이빠른속도로초소형화, 고속화, 지능화의방향으로진화하고있으며, 유비쿼터스, 홈네트워킹, 모바일컴퓨팅등새로운기술의발전과더불어더욱고직접화된소자의수요가급속히증대되고있다. 하지만앞서언급한것과같이, 현재의기술개발추세가지속된다면 2020 년경현재의전자소자는기술적한계에다다를것으로예상되고있어새로운대체기술을찾는것이시급한상황이다 [ 그림 2] 2. H ~3 100 b Aspect Ratio(A/R) of SN=H/b Tox A/R Aspect Ratio of Seorage Node *Source : S.j. Hong (Hynix), IEDM Tech node(nm) 그림 2. 전자소자의기본단위인트렌지스터의크기 (Tech node) 와단위소자당저장할수있는용량의상관관계 7

7 더차갑게, 더빠르게 : What s Next? 그렇다면현재전자소자관련산업이직면하고있는문제는소자를더작게만들기위한집적도뿐일까? 정답은 No! 이다. 물론소자집적도의향상이지난 40여년동안메모리산업을부흥시킨가장큰원동력이었지만, 훨씬복잡해진현대사회의모든수요를충족시키기위해서는집적도이외에도극복해야할큰요소들이존재한다. 가장시급한현안중하나는 발열 문제이다. 소자의고집적화는단위소자에서의전력소모증가를야기하였고, 이로인한급격한온도상승이라는문제를동반해왔다. 즉전자소자의온도자체를적정온도로유지시키기위해서소자의냉각에추가로전력을소모하는일이발생하였고, 이는단위소자당에너지소모를기하급수적으로늘리게되었다. 뿐만아니라, 전자소자가실제동작하지않을때에도소모되는 정지전력 (static power) 문제또한중요한이슈로대두되고있는상황이다. 특히현재활발히연구중이며, 2020 년경실제상용화될것으로예상되는양자기반슈퍼컴퓨터의경우전력소모가 200MW 에달하게되며, 이때메모리소자에서발생하는온도가태양표면온도인 6000 K에도달하여칩이탈수있는상황이벌어질것이라고예측되기도한다 [ 그림 3] 3,4. Power Density (W/cm 2 ) 10K 1K Nuclear Reactor 486 Rocket Nozzle Pentium Processors Year Source : Intel & H.Ohno 그림 3. 전자소자의고직접화에따라증가하는단위소자당발열량 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 8

8 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 단순히모바일기기및개인용컴퓨터등을넘어, 구글과같은글로벌검색엔진과각종포털사이트, 블로그, 페이스북, 트위터등의소셜네트워크의광범위한이용으로 IT 산업서버및인터넷데이터센터 (IDC) 에소모되는전력수요를폭발적으로증가하고있다. 한예로 IT산업의핵심장치인서버의경우, 가로 60 cm 세로 2.5 cm에불과한서버한대가소모하는전력량이한달에 360kWh 정도로대략 30평형아파트한채에서소비하는전력량 (220kWh) 보다많으며, 40만대의서버를관리하는 IDC 가소모하는전력소비량은인구 20만도시의총전력소비량 ( 가정, 산업, 공공모두포함 ) 과비슷한정도이다. 미국의경우 IDC 가 76,400,000MWh(2011 년기준 ) 의전력을소모했으며, 제네바와취리히에있는 IDC 및전산센터등이소모한전력이이지역전체전력의 10% 에해당한다는보고가있다 5,6. 이러한발열문제해결을위해, 한예로 2016 년 2월마이크로소프트연구소는 네이틱 (Natick) 이라는코드명으로수중데이터센터설비및가동실험을진행하기도하였다 7,8. 즉모바일정보기기및데이터네트워크의전력소모문제가이제는가장큰사회적현안중하나가되어버린것이다 [ 그림 4]. 그림 년마이크로소프트연구소가설치및시험운행중인수중데이터센터모습 향후에는빅데이터, 소셜네트워크, 사물인터넷, 클라우드컴퓨팅등유비쿼터스모바일컴퓨팅이더욱활발해질것으로전망됨에따라처리해야하는정보량은기하급수적으로증가할것으로예상되며, 이에사용되는모바일기기등각종정보제품들은초소형화, 초저전력화, 초고속화및지능화의방향으로빠르게진화해야될것이다. 따라서이러한기술동향에대응할수있는새로운개념의소자의개발이매우필요한상황이다. 9

9 왜스핀트로닉스인가? 반도체소자의집적도및전력소모문제를극복하고, 더나아가향후새로운산업을이끌어갈원동력으로서큰힘을발휘하기위해서는소자작동의물리적원리가근본적으로변해야한다. 이를위하여다양한분야에서활발한연구가진행되고있으며, 현재로서는 멤리스터 (Memristor = Memory + resistor), 양자메모리 및 스핀트로닉스 가가장큰각광을받고있다. 가장먼저 멤리스터 기술은, 기존의반도체단위셀이 0 ( 전압 Off) 또는 1 ( 전압 On) 의두가지상태만을표현할수있었던것과는달리, 특정물질내에서는외부에서가하는전압및자기장의크기에따라두가지이상의다양한준안정된상태 (meta-stable state) 를보인다는사실을이용한것이다. 따라서이러한물질을사용하여기존메모리셀을대체하게된다면, 같은부피안에 0과 1의두가지신호가아닌여러가지신호를제어할수있게되고 ( 예. 0, 0.2, 0.4 1), 이는궁극적으로현재의나노소자기술로도집적도문제를수배- 수십배이상극복하는방법을제공하게되는것이다. 현재이러한멤리스터분야에서는 TiO2 와같은절연체내에서이동하는이온들의이동범위를조정하여다양한저항상태를이용하는기술등이활발하게연구되고있다. 하지만한물질내의여러가지준안정상태를자유롭게변화시키는기술및해당물질의내구성문제등으로인하여실제실용화에는 10년이상이걸릴것으로예상된다. 두번째로 양자메모리 기술은양자컴퓨터와같이양자의 중첩 (superposition) 및 얽힘 (entanglement) 을이용한기술이다. 두가지이상의양자상태의물질이가까워져물질들사이에양자상호작용이활발하게일어나면, 에너지적으로안정된양자상태의가짓수가기하급수적으로늘어나게된다. 이를계산 (computing) 에활용하면, 수많은경우의수를매우짧은시간에계산할수있다. 이러한이유로양자컴퓨터기술은최근큰관심을받아왔다. 이와마찬가지로, 메모리또는기존전자소자대체를위해같은기술을적용하게된다면, 매우작은공간을차지하는양자상태들로현재의집적도, 고열량등많은문제들을한번에해결할수있다. 하지만이러한양자기술은양자물질제어기술, 중첩및얽힘제어 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 10

10 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 기술, 상온활용기술등아직실용화를위해서많은난관을앞두고있기에, 지금의전자소 자문제를당장해결하기에는큰무리가있는것이현실이다. 따라서, 지금의전자소자를빠른시일내에효율적인방법으로대체하기위하여가장각광받고있는차세대반도체기술은전자의 스핀 을이용한 스핀트로닉스 이다. 기존반도체소자는기본적으로전자의 전하 를이용하여실리콘기반의 CMOS(Complementary Metal-Oxide) 소자형태로동작하지만, 스핀트로닉스소자는자성체기반의소자를활용하여전자의 스핀 을이용하여작동한다. 아래 [ 그림 5] 에서는현재기술의현황 ( 빨간색테두리 ) 과기술의한계를극복하기위해필요한유망한신기술들을보여주고있다. 소자구조, 재료, 회로등다양한분야에서새로운기술개발을위해노력하고있는상황속에서, 스핀관련기술 ( 파란색테두리 ) 이모든분야에걸쳐주목을받고있음을알수있다 9. 다시말해다양한분야의융합을통해하나의완전한스핀소자기술을완성을위해다학제적인연구가수행되고있는것이다. Conventional Scaled CMOS Multicore Von Neumann Architecture Analog Quantum Morphic Scaled CMOS Digital Data Representation Analog Patterns Quantum state Device Spintronics Quantum SETs Molecular Ferromagnetic Electric charge Silicon Material Ge & - V mat ls State Variable Molecular state Carbon Strongly correlated mat ls Nanostructured mat ls Phase Strongly correlated electron state Spin-related field New Information Process Technologies 그림 5. 전자소자의한계를극복하기위한미래유망기술 11

11 그렇다면왜스핀트로닉스소자인가? 앞서서론에서언급하였듯이, 전자의스핀에기반한소자는스핀의고유특성인비휘발성을가지고있다. 즉전자소자의경우에는외부전력이존재할때만가동가능하지만, 스핀트로닉스소자는외부전력공급이끊어지더라도여전히정보를가지고있을수있다. 이로인해스핀트로닉스소자는 DRAM 을대체할초저전력메모리소자로서가장큰각광을받고있다. 뿐만아니라, 스핀트로닉스소자들은종래의전자소자보다훨씬더작은전자들로데이터를나타낼수있으므로, 새로운물리적인방법을통해전자소자가직면한직접화의문제를근본적으로극복할수있다. 이러한초저전력및고직접화가가능한스핀트로닉스소자를현재전자소자와같이양산가능하다면, 우리가현재직면한직접화, 발열, 속도한계등의문제를뛰어넘는새로운형태의소자가산업전분야에걸쳐큰영향을끼칠것으로예상된다. 성공적인스핀트로닉스소자의발전을위해서는새로운현상및기초원리규명부터이를응용한새로운소재 / 소자의설계및제조, 새로운특성분석및표준확립등기초에서응용에이르기까지매우광범위한연구가필요하다. 따라서성공적인스핀트로닉스의발전을위해서는다학제적연구및융합연구가반드시필요하며실제로전세계적으로도융합연구를통해해당문제해결을위해노력하고있다. 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 12

12 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 스핀트로닉스관련국내외시장동향 스핀트로닉스의범주에포함되는상세기술및연구동향을알아보기에앞서, 스핀트로닉스관련국내외시장동향에대해살펴봄으로써, 현재반도체시장에서스핀트로닉스의중요성에대해알아보고자한다 년현재전체반도체시장규모는 365 조원이며, 2021 년 460 조원으로성장이예상된다 10. 그리고스핀트로닉스기반메모리및스핀전자소자에대한연구는, 궁극적으로전체반도체시장의대부분을차지하는 DRAM, SRAM 및플래쉬메모리시장대체에우선적으로초점을맞추고있다. 또한장기적으로는긴수명과높은내구성을바탕으로자동차등극한환경용, 저전력소모특성을바탕으로모바일기기용으로활용가능할것으로기대되어반도체시장을넘는새로운시장개척에대한전망도밝은상황이다. Gartner 사의보고에따르면, 2012 년기준으로총반도체시장의규모는 308 조원으로측정되었으며, 이후연평균성장률은 4.9% 로예측되었다 11 ( 이러한성장률에근거한현재시장규모는실제 2016 년시장규모 10 와비슷한값을보인다.) 따라서, 2016 년현재스핀트로닉스와관련된메모리및시스템분야의전체시장은전체약 40조원에달하는거대시장임을알수있다 [ 표1]. 표 1. 메모리및시스템반도체시장규모 ( 단위 : 억원, 환율 1,000 원 / 달러적용, Gartner ( ) 11 세계 ( 국내포함 ) 국내 메모리시스템메모리시스템 , , , , , , ,000 1,664,000 1,749,000 1,939,000 2,021,000 2,047,000 2,073,000 2,100, , , , , , , ,000 13,600 14,300 15,900 16,500 16,800 17,000 17,200 이때, 국내기업 ( 삼성전자, 하이닉스 ) 의메모리반도체시장점유율 50% 를감안하여계산하게되면, 국내시장규모는 2016 년현재약 20조원정도로추정할수있다. 메모리관련사업을직접진행하는삼성전자, SK하이닉스등외에도, 공정장비개발회사, 원재료공급업체등으로의산업적파급효과까지고려한다면, 이미스핀트로닉스관련분야가국내시장에미치는영향이매우크다는것을알수있다. 13

13 스핀트로닉스의원리와역사 스핀트로닉스의어원은전자의자기적인회전또는방향을의미하는 스핀 (Spin) 과 전자기술 (Electronics) 의합성어이다 년대무어의법칙이후로전자를기반으로한전자기술은매우발전하였지만, 전자의스핀을활용한기술은 1990 년이후등장하여, 스핀트로닉스 라는용어또한비교적최근인 1990 년대이후로불리기시작하였다. 불과 20여년이조금넘는시간만에스핀트로닉스가매우빠른속도로발전할수있었던이유는, 스핀트로닉스라는용어가나오기이전부터매우활발하게진행되었던 스핀 에대한기초연구덕분이다. 따라서현대의스핀트로닉스를알아보기에앞서, 이를이해하는데기본이되는스핀의정의및중요한과학적원리에대해알아보고자한다. 기초물리에대한매우중요한연구결과들이쏟아져나온 1900 년대초반으로돌아가보자 년 Rydberg 가빛의선스펙트럼의규칙성을밝히고, 1913 년 Bohr 가수소원자이론을발견하여원자의스펙트럼선에대한여러가지물리적사실들이알려졌으나, 당시의물리적지식으로해결되지않는문제가두가지있었다. 하나는알칼리 (Alkali) 원소의스펙트럼항이 2중구조를가지는일이었고, 다른하나는원소의스펙트럼이자기장에의하여분리되는제만효과 (Zeeman s Effect) 가생긴다는것이었다. 즉, 당시의물리학자들은전자내부에자기적인성질을띠는무언가가있고, 이는두가지종류를가지고있다는가설에도달할수있었다. 이에대한명확한설명은 1925 년에야비로소 Uhlenbeck 와 Groutsmith 에의해밝혀졌다. 두사람의실험에의하면, 전자는하나의입자일뿐만아니라, 스스로자전하여일정한각운동량을가지는것으로해석되었다. 두사람의실험에서발견된전자의자전이현대물리에서말하는스핀이다. [ 그림 6] 에서보이는것과같이스핀은전자의자전방향에따라두가지경우의수를가질수있으며, 또한자전방향에따라서주변자기장의 N극과 S극이바뀌게된다. 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 14

14 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 S N e e N S 그림 6. 전자의자전방향에따른스핀의두가지경우 우리주변의대부분의물질에서, 외부자기장이존재하지않는경우전자들은두스핀상태인업스핀 ( ) 과다운스핀 ( ) 을동일한확률로가지게된다. 이때, 강한외부자기를가하면스핀의방향이한쪽방향으로만정렬시킬수있으며, 이렇게한쪽방향으로정렬된전자스핀을가리켜, 스핀분극 을지녔다고말한다. 통상의금속은외부자기장이존재하지않는경우스핀분극현상이발생하지않는다. 즉업스핀과다운스핀의전자수가같다. 하지만 Fe, Co, Ni과같은강자성금속의경우에는금속내부에존재하는매우강한교환상호작용으로인하여자연상태에서스핀분극현상이일어나기도하는데이러한물질들이우리생활에서의 자석 을이루는기본물질들로사용되고있다. 15

15 그림 7. 거대자기저항현상의모식도 자기저항현상 그렇다면지금부터, 고전적인 스핀 에대한연구를현대기술과점목시킬수있는 스핀트로닉스 가되게끔만들어준가장큰기술적발전인 자기저항현상 에대해알아보자. 일반적으로, 스핀분극전류 ( 한종류의스핀만으로구성된전자가흐르는전류 ) 를발생시키는가장간단한방법은강자성금속에전기를흘려전류를사출하는것이다. 이효과의가장큰응용분야는 1988 년프랑스과학자 Albert Fert 에의해발견되어 2007 년노벨물리학상을받은거대자기저항 (GMR : Giant Magneto Resistive effect) 소자이다 12. [ 그림 7] 에서볼수있듯이, 일반적인거대자기저항소자는하나의스페이서층 (Spacer, 노란색 ) 으로분리된두개의강자성물질 ( 파란색 ) 로구성되어있다. 그림에서왼쪽의경우에는, 두가지강자성물질이동일한방향으로스핀이정렬되어있고, 이러한구조에업-다운 -스핀을동일한확률로가진전류를흘리게되면업-스핀의경우에는쉽게통과하지만다운-스핀의경우에는통과하지못한다. 반면에오른쪽그림과같이두가지강자성체가반대방향으로정렬되어있을경우에는, 업-다운 -스핀모두쉽게통과할수없다. 따라서왼쪽경우가훨씬낮은저항을보이게되고, 왼쪽과오른쪽의저항차이가매우크게나타나며이 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 16

16 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 러한전기저항을자기장을통해조정할수있으므로이를거대자기저항현상이라고부른다 12. 보통금속에서의자기저항비는수퍼센트에불과하지만, 1nm 정도의강자성박막과비강자성박막을겹쳐만든다층막에서는수십퍼센트이상의자기저항비를만들어낼수있다. 이러한자기저항현상을이용한자기헤드 (Magnetic Head) 가하드디스크드라이브에사용되기시작하면서, 하드디스크드라이브의용량은비약적으로늘어날수있게되었다. 이후에도스핀트로닉스는, 이기술만이가지고있는비휘발성, 초저전력등의여러가지장점과기존전자소자와의호환성등으로인하여 2000 년초미국국가과학기술자문회의기술위원회가차기산업혁명을이끌국가나노기술로지정하여더욱큰주목을받았다. 이후산업체및학계의뜨거운관심아래에스핀트로닉스를기반한다양한물리적인기초연구및응용소자 ( 스핀- 메모리, 스핀- 논리소자, 스핀- 통신소자등 ) 에대한연구가활발히진행되고있다 [ 그림 8] 13. 그림 8. 스핀트로닉스로드맵 17

17 응용분야 I. 메모리소자 스핀정보저장기술에서가장대표적인소자는자기저항효과를기반으로하는자기저항메모리 (magnetoresistive random access memory, MRAM) 이다. 앞서소개하였듯이, 1986 년프랑스의과학자 Fert 와독일의과학자 Grünberg(2007 년노벨물리학상공동수상 ) 가외부자기장에의해소자의저항이변화하는거대자기저항효과를발견하였다 12. 이기술은컴퓨터 HDD 의재생헤드등실제응용분야에성공적으로적용되어왔으며, 새로운스핀트로닉스기술분야로의길을열었다. 한편, 1995 년에미국과일본의과학자인 Moodera 와 Miyazaki 는두강자성체전극사이에절연체박막이있는자기터널접합 (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 에서양자역학적터널링을이용하여상온에서상당한크기의터널자기저항효과 (tunnel magnetoresistance, TMR) 를얻을수있음을보여주었다 14,15. 강자성체에서는스핀 ( 자화 ) 방향에따라전자밀도가다르기때문에 GMR 및 TMR 소자에서두강자성체의자화방향이평행할경우와반평행할경우의저항이다르게된다 [ 그림 7]. TMR 은하드디스크의재생헤드의성능을크게향상시켰을뿐만아니라, MRAM 이라는개념을제품으로실현하는데큰역할을하였다. 실제로미국의 Everspin 사는자기터널접합을이용하여 16Mb 급 MRAM 소자를개발함으로써성공적으로 battery-backup SRAM(static random access memory) 시장을대체하였다 16. 최근에는차세대 MRAM 인스핀전달토크 (spin transfer torque, STT) MRAM 이활발히개발되고있다. STT-MRAM 은자기저항효과와전류구동자화반전 (current induced magnetization switching, CIMS) 이라는두가지개념에기반하여작동하는소자이다. 기존 1세대 MRAM 에서는도선에전류를흘려서전류에의해생성되는자기장으로메모리셀을스위칭하는방식을사용하지만, STT-RAM 에서는스핀전달토크현상을이용하여메모리셀을전류로직접스위칭시키는기술을사용한다. 전류구동자화반전소자의개념은 Berger 와 Slonczewski 가 1996년에독립적으로발표한스핀전달토크이론에근거하고있다 17,18. 스핀전달토크현상은스핀트로닉스기술에새로운지평을열었다. 기존 MRAM 에서는셀의크기가작아질수록더많은전류가소모되어소자의크기를작게만드 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 18

18 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 는데불리하였지만, 전류구동형자화반전기술의경우에는메모리셀의크기가작아질수록정보기록이오히려용이해져고밀도의 MRAM 이가능할것으로전망되고있다 [ 그림 9]. STT-MRAM 은 2009 년 ITRS Emerging Research Memory Device 에새롭게등재되었으며가장유망한차세대메모리소자로꼽히고있다 19. [ 그림 10] 에 STT-RAM 과경쟁기술과의기술을비교하여도식화하였다. Conventional MRAM Cell 20-30F 2 STT-RAM Cell Bit Line 6F 2 Cladding MTJ Bypass Line Bit Line MTJ Landing Pad Source Gate Drain Source Gate Drain Si Substrate Si Substrate Write Word Line Write Current: I sw ~ 1/Volume I sw ~ Volume 5 1Gb/cm 2 100Mb/cm 2 4 Write Current(mA) STT-RAM Jco=1.0X10 6 A/cm Magnetic Cell Width(nm) 그림 9. 기존 MRAM 과 STT-MRAM 의모식도및성능차이점 19

19 SRAM DRAM Flash (NOR) Flash (NAND) FeRAM MRAM PRAM RRAM STT- RAM NON-volatlle No No Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes 2 Cell size (F ) Read time (ns) Write / Erase time (ns) / 10 ms 1 ms / 0.1 ms 50/ / Endurance Write power > >10 15 Low Low Very high Very high Low High Low Low Low Other power consumption High voltage required Current leakage No Refresh current None None None None None None None 3V 6-8V 16-20V 2-3V 3V 1.5-3V 1.5-3V >1.5V Existing products Protorype 그림 10. 스핀소자기반의 STT-MRAM 과기존전자소자기반의메모리의비교 STT-MRAM 의개발은초기상용화단계이며삼성전자, SK하이닉스, 일본 Toshiba, 미국 Intel, Qualcomm, 유럽 Crocus, 대만 TSMC 등에서 Embedded 또는 Stand-alone 형으로 STT-MRAM 기술개발에총력을기울이고있는중이다. 특히산업체에서는고신뢰성절연체박막 (e.g. MgO), TMR 이높은신소재개발, 열적안정성및자화반전에유리한수직자기이방성소재개발등구조및소재최적화에대한연구를활발히진행중이다. 한편세계유수의연구소와대학에서는현재개발중인 STT-MRAM 의물리적한계를넘어서기위해스핀-궤도결합특성에기인한새로운물리적현상들과이를응용한새로운개념의소자개발에대한연구를진행중이다. 프랑스 SPINTEC 에서는자성박막에존재하는라쉬바 (Rashba) 스핀- 궤도결합토크를이용하여수평전류로수직자성박막을자화반전시킬수있음을보여주었다 [ 그림 11a] 20,21. 미국 Cornell 대학에서는 Ta, W, Pt 등과같이스핀-궤도결합이큰금속계에서스핀홀효과로부터발생하는스핀전류를이용하여자화반전이가능함을보였다 [ 그림 11b] 22,23. 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 20

20 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 (a) (b) 그림 11. Rashba 스핀 - 궤도결합토크및스핀홀효과를이용한자화반전 뿐만아니라, 최근미국의 MIT 그룹, IBM 그룹, 일본의 Tohoku 그룹, NIMS 그룹, 네덜란드의 Eindhoven 그룹등도관련분야에새로운연구결과를속속발표하고있다. 특히최근에는에너지효율이낮은전류구동자화반전을대체하기위해전기장을인가하여저전력자화반전을실현하려는연구가활발히진행되고있다. 일본의오사카대학교, 교토대학교, 미국 MIT, Johns Hopkins 대학교에서는전기장을이용한강자성박막의계면자기이방성, 임계온도, 자구벽이동의제어에성공했으며, 작은전기장펄스 (~1V/nm,100ns) 를이용한자기터널접합의저전력자성스위칭시연에도성공했다

21 응용분야 II. 고주파통신소자 스핀다이오드 (spin-diode) 효과는스핀트로닉스소자에스핀공명주파수영역대의마이크로웨이브 (microwave) 전류를주입했을때일어나는정류효과이다. 즉, 스핀트로닉스소자에스핀분극된교류를흘려주었을때, 스핀모멘트도시간의존적인토크를받게되어공명을일으키게되는데, 이에따라자기저항도같은주파수로진동하게된다. 이것이스핀다이오드효과의기본원리이다. 이는한쪽방향으로만전류가흐르게하여, 전파등의교류신호를직류신호로바꾸는기능을한다. 스핀다이오드소자는기존의반도체다이오드소자와유사한기능을하지만, 그기본원리가다르며, 보다구현이쉬운자기저항을가진스핀물질에교류전류를주입하여구현이가능하다. 스핀다이오드소자는자기저항효과와자기흔들림의운동을이용하여, 휴대폰, 위성방송, RFIC 태그, 초고속멀티플렉스등무선통신이나군사용장비에서사용하는고주파신호검출기로응용이가능하다. 이는기존전자소자에비해여훨씬향상된감도, 투과력등의장점과특성을가지고있기때문에, 기존의전자소자성능을상회할것으로기대된다. (a) (b) (c) 그림 12. (a) 스핀다이오드측정방법의개요, (b) 스핀다이오드스펙트럼의예시와측정예시 (c) 스핀토크다이오드감도 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 22

22 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 교류감지감도는보통입력교류전력대출력직류전압의비로표현되는데, 특별히 mv/mw 의단위가사용된다. 예를들어상용 schottky diode 검출기가 3,800 mv/mw 이다 년에오사카대학에있는 Y. Suzuki 교수그룹에서교류신호정류가 MTJ 에서처음으로가능함을보여주었지만, 그감도는 1.4 mv/mw 으로반도체의기존 Schottky diode 검출기 (3,800 mv/mw) 보다훨씬낮았다 27. 하지만그후많은노력과물리적인이해를통해그감도가개선이되었다. 더좋은감도를얻기위해서는작은인가전류에서좀더큰저항변화를얻으면되는데, 이를위해여러가지방법들이도입되었다. 전하-스핀변화비를크게하거나, 더큰자기저항구조 ( 예를들어큰 TMR 값을가진부도체인 MgO 를이용한 MTJs) 를길게하거나, 혹은강자성영역의최적화를수행하는등여러가지시도가이루어지고있다. 이러한시도등을통해상온에서 12,000mV/mW 까지 RF 신호검출감도를얻었다는것을일본의 Suzuki 그룹이 2013 년에보고하였다 28. 이는기존반도체다이오드검출기로얻을수있는감도보다몇배큰것으로실질적인응용가능성이있음을증명하였다 [ 그림 12] 27. 나노기술과의융합을통한나노스핀오실레이터는스핀자화된전류에의해나노크기의자기모멘트를 1-50 GHz 영역의주파수로공명하도록유도하고, 자기저항효과를통하여교류영역의전압신호를발생시킨다 29. 여기에는물리적으로스핀토크의중요한의미가내재되어있는데, 그스핀토크성분중한성분이강자성박막의고유자기감쇄를충분히상쇄시킬수있을때비로소이현상이발생이된다. 해당현상을이용하면직류전류, 즉전기적으로제어가가능한교류소자를굉장히작게구현할수있게되어, 현재사용하고있는교류소자의크기와그소비전력을수십배개선시킬수있을것으로기대하고있다 년 Cornell 그룹과 NIST 그룹이나노컨택구조에서처음으로직류전류에의한공명현상을관찰한이후로 30,31, 여러다양한종류의구조, 예를들어볼텍스자이레이션 (vortex gyration), MgO 터널 barrier 를기반한 MTJ 구조, 그리고수직화된자기구조등, 직류전류에의한 magnetic self-oscillation 이현상이일어나는것을관찰하였다. 자성학의긴역사를볼때, 자기오실레이션현상은그연구역사가상당히짧고, 스핀토크에의해서만일어나는흥미롭고특이한현상이다. 실질적으로시장에서쓸수있는조건을만족하기위해서는그출력전력, 선폭혹은품질등에서상당한개선이필요하고현재로서많은장벽이있기는하다. 23

23 응용분야 III. 반도체기반논리소자 스핀트랜지스터는반도체채널과강자성전극의하이브리드구조를이용하여전계트랜지스터의특성을구현하는새로운개념의소자이다. 스핀의정보를반도체채널에전달하고입력된스핀의방향을게이트전계로조절하여동작시키는소자이다. 이러한스핀트랜지스터는같은전하량이전달되더라도스핀이라는또하나의제어할수있은변수가있어다양한기능을할수가있다. 스핀의방향에따라채널이 ON 또는 OFF 되어기존의실리콘전계트랜지스터가수행하는기능을할뿐만아니라비휘발성을이용한메모리기능도갖추어차세대논리및정보저장통합소자로의적용이가능하다. 위에서설명한 Datta-Das 가 1990 년에이론적으로제안한, 스핀전계효과트랜지스터 (spin Field Effect Transistor) 는전자의스핀을이용하여저항을변화시키는신개념트랜지스터소자로비휘발성, 저전력, 초고속소자로서의잠재력을인정받아미국, 일본등을중심으로많은연구가진행되어왔다 32. 국내에서반도체를기반으로한스핀트랜지스터및스핀주입기술등에대한연구는 KIST 에서주로연구하고있으며재료, 물성및스핀이론에관한연구는서울대, 고려대, KAIST, 포스텍등에서수행하고있다. (a) (b) 그림 13. (a) 반도체상으로의스핀주입및 (b) Hanle 효과를이용한스핀신호의측정 스핀트랜지스터구현을위한반도체로의스핀주입은기존금속으로의스핀주입과달리강자성체와반도체의저항차이로인한접합면에서의산란으로인해매우난이도가높은기술이다. 특히전기적방법으로반도체에스핀주입이성공한것은 2007 년이후에나가능하였던 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 24

24 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 일이다 [ 그림 13] 33,34. 이론으로제시했던스핀트랜지스터가세계최초로구현된것은 2009 년 KIST 연구그룹에의해서이다 35. 실험상난이도가높은이유는상대적으로높은주입률과라쉬바 (Rashba) 효과 ( 전기장을유효자기장으로전환하는효과 ) 가동시에큰시스템을찾기어려워동작할수있는채널의범위가매우한정되어있기때문이다. 하지만 KIST 연구진은스핀트랜지스터의구조도와 InAs 양자우물을이용하여제작한게이트로스핀트랜지스터를구현하였다 35. 위에서설명한스핀반도체기반의논리소자가기존의 CMOS 기반논리소자를대체하기위해일본 미국등선진국을중심으로연구가활발하게진행되고있다. 특히스핀주입효과향상, 스핀소재개발등에많은연구가진행되고있다. 스핀논리소자는기존실리콘소자에스핀동작부분을더해서성능을향상시키는방법과스핀제어만으로모든논리기능을하는 all-spin 논리소자로나눌수있다. 스핀전류만으로논리소자를제안하거나시뮬레이션으로보여준경우로는 2007 년 UC 샌디에고와 2010 년퍼듀대학이있다 [ 그림 14(a),(b)] 36,37. 두그룹은스핀의축적과흐름으로강자성체와의정렬관계를이용하여논리소자를제안하였으나실험적으로는완벽한논리기능을실현하지는못하였다. 이와는조금다른개념으로반도체의 avalanche 를이용하여자기장과전기장으로저항을제어하는논리소자를 2013 년 KIST 와고려대의공동연구로보여주기도하였다 [ 그림 14(c)] 38. 그외에국내에서는메모리중심의스핀과제를중심으로연구가진행되고있어스핀논리소자에대한연구는활발하게진행되지못하고있는실정이다. (a) (c) (b) 그림 14. 스핀트로닉스기술을이용한스핀트랜지스터. (a) UC 샌디에고 (Nature 2009 년 ) (b) 퍼듀대 (Nature Nanotech 2010 년 ) 에서제한한구조 (c) KIST/ 고려대에서구현한스핀논리소자 25

25 스핀트로닉스의미래 : 신개념스핀트로닉스소자를향하여 1. 스커미온 (Skyrmion) 을이용한차세대메모리개발스커미온은액정, Bose-Einstein 응집, 양자홀강자성체, 자성박막, Dzyailoshisky- Morya(DM) 상호작용을가지는물질등에서발견되는위상학적솔리톤 (Soliton) 의한종류로이개념을처음으로도입한영국물리학자 T.H.R Skyrme 의이름을따명명되었다. 특히스핀계에서나타나는스커미온을자성스커미온 (magnetic skyrmion) 이라부르는데, 이는스커미온수로불리는위상수 (topological number) 에의해특징지워지는위상학적으로안정되고입자적인성격을지니는스핀배열이기때문이다 39. 이와같은자성스커미온의예를 [ 그림 15] 에나타내었는데, a와 b는같은스커미온수를가지는 3차원스커미온의예이며 c는 2차원에서의자성스커미온의예이다. 이와같은스핀배열에서스커미온수는스커미온을구성하는각스핀의공간상에서의회전정도의총합을의미한다. (a) (b) (c) 그림 15. (a), (b) 위상학적으로 1 의숫자를가지는 3 차원스커미온및 (c) 스커미온의 2 차원모식도 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 26

26 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 [ 그림 15] 에나타낸 3차원자성스커미온의절반에해당하는자성 vortex 에대한연구는자성금속의나노구조형성기술의발전과더불어지난 10여년간꾸준히발전해왔다. 특히자성금속의원형나노점의경우지름과두께에따라스핀배열이달라진다. 대략지름 0.1~1 μm, 두께 20~50 nm 정도의 Permalloy 원형구조에서나타나는자성 vortex 의스핀구조및 vortex 중심의동역학은자기력현미경 (Magnetic Force Microscopy, MFM) 이나스핀전자현미경 (Scanning Electron Microscopy with Polarization Analysis, SEMPA), X-선광전자분광현미경 (X-ray Photoemission Electron Microscopy, X-PEEM), X-선자성현미경 (X-ray Magnetic Microscopy) 등의측정방법으로연구된바있다 [ 그림 16] 40. (a) (b) (c) 그림 16. 전체스커미온의절반에해당하는 vortex 상태 (a). Vortex 상태는핵과핵주변의스핀방향에따라에너지적으로동등한 4개의상태를가진다. (c) 수평자성을가지는선시료에존재하는볼텍스상태 27

27 스커미온이갖는가장큰특징은위상학적객체라는점이다. 따라서자성스커미온의경우이러한위상학적특징으로인해강자성체등일반적자성체에서보이는것과는다른현상이나타난다. 최근에이루어지고있는스커미온동역학에대한전산흉내내기 41 등의결과등을살펴보면스핀전달토크에의한전류유도자구벽이동과유사한현상이스커미온에대해서도나타난다. 하지만스커미온의위상학적특징으로인해자구벽의이동의경우와달리결함등의영향을크게받지않으며이로인해이동을위한임계전류가매우낮을것으로예측된다 [ 그림 17]. 따라서자구벽이동에기반하여제안된 race-track 메모리등과같은방식의미래메모리기술의적용이가능할것으로기대된다 실제메모리소자로의발전을위해서는전류유도스커미온동역학에대한구체적인연구결과가시급히필요한상황이며, 이를바탕으로스커미온기반자성메모리소자의연구는본격적으로가능할것이다. 그림 17. Skyrmion 의전류에의한움직임속도예측및실제메모리소자모식도 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 28

28 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 2. 위상절연체를이용한스핀제어기술위상절연체 (Topological Insulator) 는시간역전대칭성을가지면서특정한위상학적질서를가지는물질로금속성의표면상태를가지는절연체를말한다. 특유의위상학적질서로인해이표면상태는결함등에대해위상학적으로보호되어후방산란이원칙적으로금지되고결과적으로표면의전도도가매우높게된다. 또한이표면상태의전자는운동량과강한상호작용으로결합되어스핀- 운동량고정 (spin-momentum locking) 현상을보여주며이로인해특정방향의스핀분극률이매우높은특징을가진다 [ 그림 18] 44. 그림 18. 위상절연체의개념과스핀 - 운동량고정 위상절연체는기본적으로강한스핀-궤도상호작용을바탕으로하고있으므로스핀전달물질로는적합지않으며, 스핀- 운동량고정현상에기반하여높은스핀분극률을달성할수있는스핀전자원 (spin source) 으로기대되고있다. 최근연구는편광된자외선이나 x-선을위상절연체에입사하였을때방출되는광전자의스핀분극률이매우높으며이때광전자의스핀방향을입사한빛의편광방향으로조절함으로써 3차원적으로변화시킬수있음을보여주어위상절연체의스핀전자원으로써의가능성을잘보여준바있다45. 한편최근자성불순물이섞인위상절연체에대하여양자특이홀효과 (Quantum Anomalous Hall Effect, QAHE) 가최초로관측되어많은관심을끌고있다 46. 일반적으로스핀궤도상호작용이큰경우자기장이걸리지않아도홀효과가관측되는스핀홀효과는 GaAs 의 2차 29

29 원기체계에서관측된바있으며특히 HgTe/CdTe 와같은위상절연체에서는양자스핀홀효과가관측된바있다. 그런데자성불순물이섞인위상절연체에서는자성불순물에의한강자성질서가형성되고, 이것이자기장과같은역할을하여 QAHE 가관측될것이라는이론적예측이있었으며최근에 Crx(Bi0.1Sb0.9)2-xTe3 시료에서이에대한실험적인관찰이보고되었다 46. [ 그림 19] 에나타낸바와같이양자스핀홀효과와는달리 QAHE 의경우가장자리전류 (edge current) 가한쪽스핀방향으로편극되어있어향후자기장이필요없는스핀필터로사용할수있을것으로예상되어다양한조건과시료에대한연구가활발히진행되고있다. 위상절연체는그표면상태로부터높은스핀분극률을가지는전자를뽑아낼수있다는점이확인되어스핀트로닉스소자를위한스핀전자원으로활용할수있는잠재성이크다고할수있다. 그러나결함으로인해덩어리상태가완전한절연상태가아닌점, 결함에의한전하도핑의문제, 박막으로만들었을때의시료의품질등에서해결해야할과제가많이남아있다. 최근에는다양한 3원소혹은 4원소위상절연체에서이전에비해한층향상된특성을보이는결과들이발표되고있는중이다. 하지만이외에도위상절연체와다른자성체의접합등향후해결해야할과제가산적해있다. 그림 19. 양자스핀홀효과와양자특이홀효과의비교 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 30

30 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 3. 그래핀및 2차원채널기반의스핀트로닉스소자탄소원자가육각형구조를이루고있는단일원자층, 즉그래핀은 1950 년대부터이론적인탐색이활발히진행되었는데실험적으로접근이가능한실체를드러낸것은비교적최근으로, 2004 년영국맨체스터대학의 Geim 교수연구팀이 (2010 년노벨물리학상수상 ) 그래핀의존재와고유의전기적특성을보고하면서부터이다 47. 이후그래핀제작방식의간편함과더불어그래핀만의우수한특성들이알려짐에따라전세계적으로그래핀관련연구결과들이폭발적으로증가하였다. 현재에도학계및산업계의많은연구진들이새로운꿈의소재로서그래핀의가능성을탐색하고있다. 스핀전자소자분야에서도그래핀은중요한역할을할것으로기대되는데카본나노튜브 (CNT) 와마찬가지로그래핀은가벼운탄소로만이루어져있기에스핀-궤도상호작용과핵스핀과의상호작용 (hyperfine interaction) 이작아그래핀특유의빠른전하이동도와더불어그래핀으로주입된스핀정보가상대적으로긴수명 (spin lifetime) 을가지고먼거리를이동할수있을것으로예측된다. 실제로그래핀의발견이보고된지얼마지나지않아네덜란드 Van Wees 교수연구진에서그래핀에서의스핀수송현상을측정하였다 [ 그림 20] 48. 그래핀을채널로하는스핀밸브구조에서비국소측정법 (non-local measurements) 을통해그래핀으로주입된스핀정보가상온에서 1 ~ 1.5 마이크로미터떨어진곳에서검출가능함을최초로보여주었다. 하지만실제로주입된스핀이유지되며확산되는거리의실험적측정값이이론적으로기대되는값보다백배정도짧게측정되어이에대한원인을규명하기위한후속연구들이요구되었다. (a) (c) (b) 그림 20. 그래핀에서관찰된스핀수송현상 31

31 현재프랑스에서는 Fert 교수연구팀을중심으로그래핀을활용한스핀수송현상연구가이루어지고있다. 이팀에서는특히 SiC 위에서길러진에피탁시그래핀 (epitaxial graphene) 등웨이퍼스케일의대규모그래핀스핀전자소자제작및특성분석에중점을둔연구가주로진행되고있다 49. 최근결과에따르면그래핀에서이론적으로예측되는정도의스핀수명 ( 스핀확산거리 ~100 마이크로미터 ) 을간접적으로측정하였으며, 이를뒷받침하는이론적토대도제공하였다. 한편미국에서는 IBM 사및여러기관에서 CNT 연구에이어그래핀스핀소자연구도수행하고있는데, 특히 UC Riverside 의 Kawakami 연구팀이그래핀에서의스핀수송연구를주도하고있다. Kawakami 교수연구팀은 MgO 를터널장벽으로사용하여그래핀으로의스핀주입효율을월등히향상시켰으며, 그래핀으로의스핀주입시터널장벽과스핀신호와의관계를밝혔다 50. 또한, 그래핀스핀밸브소자위에다른물질들을도포하면서스핀수송현상의변화를실시간으로측정하는방법을통하여그래핀채널에서스핀완화기작 (spin relaxation mechanism) 을밝히는데실마리를제공하기도하였다 51. 이러한성과들을바탕으로 Kawakami 교수를주축으로그래핀을기반으로한스핀로직소자구현 [ 그림 21] 을제안하였고, 이제안은최근 Nanoelectronics Beyond 2020 Program 중하나의로선정되기도하였다 52. 그림 21. 그래핀을기반으로한스핀로직소자의모식도 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 32

32 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 맺음말 반도체기반전자소자기술은물리적현상및나노공정에있어서근본적인기술적한계에근접하고있으며, 이러한한계를극복할수있는새로운차세대전자소자기술의출현이강하게요구되고있다. 새로운스핀 / 양자현상에기반한차세대스핀메모리개발은현존기술의패러다임을뛰어넘는혁신기술임로기대되고있다. 다시말해스핀트로닉스기술은전자의전하와스핀을동시에제어하는기술로서, 이를적용한스핀전자소자의개발은기존전자소자의기술적한계를극복할수있는미래유망원천기술이다. 특히스핀트로닉스기술은반도체산업뿐만아니라, 신소재, 정밀측정기기산업등으로의확대가기대되고있을뿐아니라, 융합연구를통한지난수년간의매우빠른발전을이제는기존전자소자를뛰어넘어새로운스핀크로닉스소자의시대의개막을앞두고있다. 이러한시대상황에발맞추어美국방성에서첨단연구를담당하고있는 DARPA 는스핀트로닉스연구분야에향후수년간 1억달러의연구비를투자하고있다. 뿐만아니라일본, 싱가포르등의국가들도연간수백억의연구비를투자해가며활발히육성해가고있는분야이기도하다. 하지만현재스핀트로닉스기술에투자하는우리나라의상황은조금아쉬운부분이있다. 21세기거대기간산업의하나인정보저장산업은지속적이며, 새로운기술혁신이필요한분야로특히우리나라의국부창출에지대한영향을미치고있는산업분야이다. 현재스핀트로닉스소자는향후차세대비휘발성메모리시장을차지할비율이점차증가할것으로예상되고있어, 스핀트로닉스관련핵심소재기술의확보및원천특허확보는국가적으로차세대메모리산업의발전을도모할수있을뿐아니라막대한시장을선점할수있으므로그파급효과가지대할것으로예상된다. 더나아가, 에너지효율이극대화된고성능스핀정보소자의개발을통하여모바일기기, 인공지능, 빅데이터처리등의수요증가에따른사회적인요구에적극적대응이가능하다. 이밖에도스핀트로닉스소자기술은정보통신, 바이오산업등다양한분야에응용가능하여, 이미상용화되어거대시장을형성하고있는 HDD 용자기헤드, 초고감도바이오센서및능동형논리회로등은메모리분야이상으로성장잠재성을가질수있을것으로평가받고있다. 그렇기에우리나라또한조금더적극적이며과감한투자를통해스핀트로닉스인력육성및기술확보에힘씀으로써, 다가올스핀- 세대 (spin-generation) 에다시한번기술강국으로우뚝설수있기를기대하며이글을마친다. 우성훈 (Seonghoon Woo) 학력 MIT 재료공학과박사 POSTECH 신소재공학과학사 경력 現 ) KIST 스핀융합연구단 박사후연구원 33

33 참고문헌 1. Waldrop, M. M. The chips are down for Moore s law. Nature 530, (2016). 2. Varma, R., Dokania, V., Sarkar, A. & Islam, A. MOSFET aspect ratio optimization for minimized transistor mismatch at UDSM technology nodes. in 1 4 (IEEE, 2015). doi: /iccci Caulfield, H. J. & Dolev, S. Why future supercomputing requires optics. Nat. Photonics 4, (2010). 4. Palmer, T. Modelling: Build imprecise supercomputers. Nature 526, (2015). 5. Power Issues in the Datacenter: IDC Survey Results. Available at: (Accessed: 4th August 2016) 6. Cloud et al. IT now 10 percent of world s electricity consumption, report finds. Available at: (Accessed: 4th August 2016) 7. Project Natick. Available at: (Accessed: 4th August 2016) 8. Microsoft research project puts cloud in ocean for the first time News Center. 9. Spintronics for future information technologies: Spin currents in topological insulators controlled. Available at: (Accessed: 4th August 2016) 10. ReportsnReports. Semiconductor Market Worth $332Bn in 2015: $40.5Bn (Approx. 12%) Will be the Global Semiconductor Equipment Market Size. Available at: (Accessed: 11th August 2016) 11. Worldwide Semiconductor Revenue Reached $307 Billion in 2011, According to Final Results by Gartner. Available at: (Accessed: 4th August 2016) 12. Baibich, M. N. et al. Giant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices. Phys. Rev. Lett. 61, (1988). 13. Academic Roadmap - JSAP. Available at: (Accessed: 4th August 2016) 14. Moodera, J. S., Kinder, L. R., Wong, T. M. & Meservey, R. Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junctions. Phys. Rev. Lett. 74, (1995). 15. Miyazaki, T. & Tezuka, N. Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction. J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 L234 (1995). 16. Everspin 16MB non-volatile MRAM coming SlashGear. Available at: (Accessed: 4th August 2016) 17. Berger, L. Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current. Phys. Rev. B 54, (1996). 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 34

34 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 참고문헌 18. Slonczewski, J. C. Current-driven excitation of magnetic multilayers. J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 L7 (1996). 19. Meena, J. S., Sze, S. M., Chand, U. & Tseng, T.-Y. Overview of emerging nonvolatile memory technologies. Nanoscale Res. Lett. 9, 526 (2014). 20. Miron, I. M. et al. Perpendicular switching of a single ferromagnetic layer induced by in-plane current injection. Nature 476, (2011). 21. Miron, I. M. et al. Fast current-induced domain-wall motion controlled by the Rashba effect. Nat. Mater. 10, (2011). 22. Liu, L. et al. Spin-Torque Switching with the Giant Spin Hall Effect of Tantalum. Science 336, (2012). 23. Liu, L., Moriyama, T., Ralph, D. C. & Buhrman, R. A. Spin-Torque Ferromagnetic Resonance Induced by the Spin Hall Effect. Phys. Rev. Lett. 106, (2011). 24. Nozaki, T. et al. Electric-field-induced ferromagnetic resonance excitation in an ultrathin ferromagnetic metal layer. Nat. Phys. 8, (2012). 25. Shiota, Y. et al. Induction of coherent magnetization switching in a few atomic layers of FeCo using voltage pulses. Nat. Mater. 11, (2012). 26. Bauer, U. et al. Magneto-ionic control of interfacial magnetism. Nat. Mater. 14, (2015). 27. Tulapurkar, A. A. et al. Spin-torque diode effect in magnetic tunnel junctions. Nature 438, (2005). 28. Maehara, H. et al. Large Emission Power over 2 µw with High Q Factor Obtained from Nanocontact Magnetic-Tunnel-Junction-Based Spin Torque Oscillator. Appl. Phys. Express 6, (2013). 29. Demidov, V. E. et al. Magnetic nano-oscillator driven by pure spin current. Nat. Mater. 11, (2012). 30. Kiselev, S. I. et al. Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current. Nature 425, (2003). 31. Rippard, W. H., Pufall, M. R., Kaka, S., Russek, S. E. & Silva, T. J. Direct-Current Induced Dynamics in ${\mathrm{c}\mathrm{o}}_{90}{\mathrm{f}\mathrm{e}}_{10}/{\mathrm{n}\mathrm{i}}_{80}{\mathrm{f}\mathr m{e}}_{20}$ Point Contacts. Phys. Rev. Lett. 92, (2004). 32. Datta, S. & Das, B. Electronic analog of the electro optic modulator. Appl. Phys. Lett. 56, (1990). 33. Appelbaum, I., Huang, B. & Monsma, D. J. Electronic measurement and control of spin transport in silicon. Nature 447, (2007). 34. Lou, X. et al. Electrical detection of spin transport in lateral ferromagnet semiconductor devices. Nat. Phys. 3, (2007). 35

35 참고문헌 35. Koo, H. C. et al. Control of Spin Precession in a Spin-Injected Field Effect Transistor. Science 325, (2009). 36. Dery, H., Dalal, P., Cywiński, Ł. & Sham, L. J. Spin-based logic in semiconductors for reconfigurable large-scale circuits. Nature 447, (2007). 37. Behin-Aein, B., Datta, D., Salahuddin, S. & Datta, S. Proposal for an all-spin logic device with builtin memory. Nat. Nanotechnol. 5, (2010). 38. Magnetic-field-controlled reconfigurable semiconductor logic : Nature : Nature Research. Available at: (Accessed: 4th August 2016) 39. Rößler, U. K., Bogdanov, A. N. & Pfleiderer, C. Spontaneous skyrmion ground states in magnetic metals. Nature 442, (2006). 40. Choe, S.-B. et al. Vortex Core-Driven Magnetization Dynamics. Science 304, (2004). 41. Fert, A., Cros, V. & Sampaio, J. Skyrmions on the track. Nat. Nanotechnol. 8, (2013). 42. Woo, S. et al. Observation of room-temperature magnetic skyrmions and their current-driven dynamics in ultrathin metallic ferromagnets. Nat. Mater. 15, (2016). 43. Jiang, W. et al. Blowing magnetic skyrmion bubbles. Science 349, (2015). 44. Topological Insulators - Lanzara Group. Available at: (Accessed: 4th August 2016) 45. McIver, J. W., Hsieh, D., Steinberg, H., Jarillo-Herrero, P. & Gedik, N. Control over topological insulator photocurrents with light polarization. Nat. Nanotechnol. 7, (2012). 46. Chang, C.-Z. et al. Experimental Observation of the Quantum Anomalous Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator. Science 340, (2013). 47. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films Science. Available at: (Accessed: 4th August 2016) 48. Tombros, N., Jozsa, C., Popinciuc, M., Jonkman, H. T. & van Wees, B. J. Electronic spin transport and spin precession in single graphene layers at room temperature. Nature 448, (2007). 49. Dlubak, B. et al. Highly efficient spin transport in epitaxial graphene on SiC. Nat. Phys. 8, (2012). 50. Han, W. et al. Tunneling Spin Injection into Single Layer Graphene. Phys. Rev. Lett. 105, (2010). 51. Pseudospin-driven spin relaxation mechanism in graphene : Nature Physics : Nature Research. Available at: (Accessed: 4th August 2016) 52. Semiconductor Research Corporation - SRC. Available at: (Accessed: 4th August 2016) 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 36

36 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 국가 R&D 현황분석 최근 3 년간 (2011~2013 년 ) 스핀트로닉스와관련된연구개발사업을분석해보았다. l 과제선별기준 l 연구요약문내 ( 스핀트로닉스 ) or (spintronics) or(( 스핀 ) and ( 트로닉스 )) or ((spin) and (tronics)) 분석결과최근 3년간총 58건의과제에 140 억원의연구비가투자됨 연구과제수는크게변화하지않았으나, 2013 년연구비큰폭으로증가함 - 이는한국과학기술연구원운영비지원항목으로스핀트로닉스분야의연구가이루어지면서연구비가급속도로증가함 - 특성나노 -도핑분석지원연구 (64억원 ), Convergence-Technology Program(8 억원 ) 한국과학기술연구원 (KIST) 에서의연구를제외하고는스핀트로닉스와관련하여대규모연구는이루어지지않는것으로나타나고있으며, 아직연구활성화수준도미흡한것으로보여짐 연도별연구비와연구과제건수 연구비 ( 억원 ) 연구과제수 ( 건 ) 연구수행주체스핀트로닉스연구는대학과출연연구소를중심으로이루어지고있음 한국과학기술연구원운영비지원사업 (72 억원 ) 을제외하면대학에서좀더많은연구가이루어지고있음을 알수있음 37

37 - 출연연구소의경우에도 KIST 와한국표준과학연구원외에는연구그룹이없는것으로나타났으며, 대학또한연구그룹이많지않은것으로나타남 - 이는아직스핀트로닉스와관련하여우리나라의연구생태계조성이미흡한것으로사료됨 35% 65% 대학 48.4 출연연구소 91.8 단위 ( 억원 ) 연구수준스핀트로닉스와관련된연구는연구개발단계중기초연구단계중심으로이루어지고있는것 으로나타남 연구비상으로는기초연구와응용연구가각각 48% 와 46% 로비슷한것으로나타났으나, 과제건수로는기초연구가 56건, 응용연구가 1건으로압도적인차이를보이는것으로나타남 - 이는특성나노 -도핑분석지원연구가응용연구로분류되었기때문인것으로, 실질적으로아직스핀트로닉스관련연구는대다수기초연구단계임 연구개발성격측면에서는아이디어개발이 31 건, 46.9 억원으로가장높게나타났음 - 연구비상으로는미분류항목이많은것으로나타나있으나과제건수로는 6건에불과하며, 이또한대형과제들이미분류로분류되었기때문임 기술수명주기적측면에서도도입기 (48.3 억원 ) 가가장많은비중을차지할것으로예상되었으나, 아예기술수명주기를판명할수없는기타 (89 억원 ) 로대다수의연구과제가분류됨 연구개발단계 48% 46% 6% 기초연구 67.4 응용연구 64.5 응용연구 8.3 단위 ( 억원 ) 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 38

38 양자역학전자소재구현에활용되다스핀트로닉스 연구개발성격 34% 7% 8.3% 53% 아이디어개발 46.9 시작품개발 10.4 기타개발 8.3 미분류 74.5 단위 ( 억원 ) 기술수명주기 34% 2% 0.4% 64% 도입기 48.3 성장기 2.4 성숙기 0.4 기타 89.0 단위 ( 억원 ) 연구분야국가과학기술표준분류와미래유망신기술분류 (6T), 국가기술지도분류 (NTRM) 를분석한결과 재료 (74.9 억원, 6 건 ), 물리학 (41.2 억원, 45 건 ) 중심의 NT(45.2 억원, 34 건 ) 연구가주를이룸 연구분야 [ 국가과학기술표준분류 ] 29% 53% 2% 6% 9% 물리학 41.2 재료 74.9 화학 3.1 기타 8.3 전기 / 전자 12.6 단위 ( 억원 ) 39

39 연구분야 [6T] 32% 54% 1% 13% NT 45.2 포함되지않음 75.2 BT 1.2 IT 18.5 단위 ( 억원 ) 연구분야 [NTRM] 19% 1% 11% 55% 14% 정보 / 지식 / 지능화사회구현 26.5 건강한생명사회지향 1.7 기반주력산업가치창출 16.1 포함되지않음 76.7 기타 19.1 단위 ( 억원 ) 양자를중심으로한스핀트로닉스의원리중심의연구개발로인하여물리학을중심으로많은연구가이루어지고있으며, 일부대형과제들이재료분야로분류되면서재료분야의비중또한높게나타남 6T 기준에서는스핀트로닉스를구현하는 NT연구와이를활용하는 IT(18.5 억원, 15건 ) 중심으로연구가활발히이루어지고있는것으로나타남 - 포함되지않음이 54% 로나타난것은일부대형과제들이 6T 상으로분류되지않아나타난현상임 NTRM 분석결과또한포함되지않음이가장높은비율 (55%) 로나타나있기는하지만정보-지식 -지능화사회구현 (26.5 억원, 23건 ) 과기반주력산업가치창출 (16.1 억원, 10건 ) 에많은연구가이루어지고있음 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 40

40 미래의블루오션극한환경기술전쟁 극한환경의이해와극복을위한융합연구추진방향 글 부산대학교기계공학기계기술연구원극한환경기술융합센터손창민교수 41

41 1. 극한 환경 (ExtremeEnvironment) 극한환경극복을위한기술개발 ( 극한환경기술, Extreme Environmental Technology) 이라는주제에대한고찰을시작하기에앞서극한환경을어떻게정의하는것이타당한지에대한논의가필요하다. 극한환경은이를도전으로인식하고극복해야하는인간을포함한모든생명체가생존에위협을받는조건에해당되는모든환경적요소들을고려하여정의해야할것이다. 이러한환경적조건들은다양하게나열할수있지만, 생명체의생존에필수요소들인물과공기를중심으로생각해볼수있다. 최적의조건을벗어난또는오염된물과공기의섭취는모든생명체의생존에심각한위협이되는것은별도의과학적증명이나실험없이도우리스스로판단할수있다 이틀이상 ( 폭염경보 ) 33 이틀이상 ( 폭염주의보 ) 최고 최저 ( 열대야 밤최저기온기준 ) 일 12 일 13 일 14 일 15 일 16 일 17 일 18 일 19 일 20 일 21 일 22 일 그림 년 8 월서울지역최저및최고온도분포 ( 출처 : 기상청 ) 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 42

42 미래의블루오션극한환경기술전쟁 2016 년여름, 한반도가경험한기록적인고온현상 ( 그림1) 으로인해국민들이감당했던어려움들은이러한생존환경변화에따른위협들을피부에와닫게해준다. 더불어, 우리가경험한위협들은하절기정상기온대비약 5 C 내외의추가온도상승으로인한것이다. 이러한날들이지속되면서우리의몸과환경은피로가쌓이거나심지어손상되는고통을경험하기도한다. 따라서극한환경의정의는절대적관점에서고온 ( 또는고압 ) 의범위를정의하여제한할수도있겠지만, 동시에매우상대적이고또지속성과밀접한관련이있는개념임을확인할수있다. 즉미세한환경요소의변화도이러한영향이지속될때지구생명체의존속에심각한위협이될수있다는것이다. 지구에서기대할수있는극한환경이그렇다면, 지구를벗어난우주에서의극한환경은어떤조건들을고려할수있을까? 종종미디어를통해우주탐사소식을접하기는하지만, 일반인들에게는여전히미지의분야이고, 소수의우주인들을통한간접경험에의존할수밖에없는영역이라고할수있다. 영화 마션 (The Martian, 2015) 은인간의화성 (Mars) 탐사및생존시도를영상화하여지구인으로서상상했던우주에서의극한환경에대해간접경험을제공하며흥행이된대표적인영상물이다. 화성대기의주성분은이산화탄소 (CO2) 이며, 온도는 F(-91.7 C) ~ 86 F(30 C) 범위에서변화한다. 앞서설명했듯이산소의부족은둘째치고라도, 화성대기의온도변화가최대 120 C 가되는것만으로지구환경을넘어서는극한환경으로볼수있을것이다. 우리정부에서추진하고있는달탐사계획으로달에대한관심이높은데달의온도는화성보다더극심한차이 (-170 C ~ 130 C) 를보인다. 따라서성공적인달탐사를위해서요구되는여러가지기술들이있겠지만더불어이러한극한환경을극복하는기술은필수적이다. 지구와우주에서의극한환경요소들을나열하면추위, 고온, 고압, 진공, 고전압, 유해한화학성분및입자들, 전자기복사, 진동, 충격, 습도, 오염및먼지, 그리고극심한온도변화등이있다. 따라서 극한환경기술 은이러한 절대적및상대적으로극심한환경요소들로부터인간과생명체를보호하고유지하는데필요한기술 이라고정의할수있다. 극한환경기술은궁극적으로 지구와우주의극한환경에서생명체보호및유지를위한창의적인기계장치또는시스템 (Engineering System) 의안정적구현 을목표로한다. 본리뷰에서는이와관련된다양한기술개발노력들을소개하고시스템적접근의필요성에대해서강조하고자한다. 43

43 그림 2. 마션 (The Martian, 2015) 극한환경에서는영향으로물질들의고유한성질 (property of material) 이변화하게되는데, 주로온도와압력에민감한영향을받는다. 따라서고온및고압조건들과관련한기존의연구들을살펴보고자하였다. 문헌들을조사해보면극한온도와압력의범위를정하려는노력들이일부있음을알수있는데, 이는의미있는시도일수있으나, 앞서고찰해본바와같이굳이절대적인개념으로제한하기보다상대적인개념으로이해하는것이궁극적으로생명체의보호및유지기술이라는정의에더부합된다고판단된다. Chatelier & Boudouard 은고온측정과관련한초기연구자들의다양한측정법과장치 (pyrometers) 들을소개하고있다 1. 흥미있는부분은정확한고온측정의중요성과측정법및장치 (pyrometers) 에대한문헌을 1782년처음출간한사람은 Wedgewood 로소개되고있다. Wedgewood 는잘알려진영국의유명도자기회사의이름이기도하다. 따라서흥미롭게도근대사에서도자기공업이고온환경을정밀하게다루고자했던주체로기여했다는것을알려 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 44

44 미래의블루오션극한환경기술전쟁 주고있다. 이후, Zemansky 는 2차대전후 1950 년대및 60년대의극저온 (absolute zero) 및무한온도 (infinite temperature) 관련연구를종합하는노력을보였다 2. 이시기에는이미플자즈마및원자력반응에의한온도 ( 상승 ) 값들이각각 5 x 10 4 K 및 5 x 10 7 K 으로소개되어있다. Ulmer 는 15명의지구화학및지구물리연구자들의연구결과를출간하며, 처음으로고압및고온환경실험에필요한제어, 보정및측정기법을소개하고대학원실험실매뉴얼로활용될수있도록하였다 3. 이시기에고온과더불어고압조건을통합해서고려하기시작한점도흥미롭다. 특히, Ulmer 는이점을편집본출간의주요한의미들중하나로소개하고있다. Ulmer 가소개하고있는고압기술은 1600 년대에 Otto von Guericke 가개발한최조의공기압축펌프로서약 400 년전으로거슬러올라가이룬성과이다. 더불어소개된참고문헌들을살펴보면 1960 대에고압및고온분야의연구가매우활발히수행되었음을알수있다. 그림 3. Jasperware, the most famous of Wedgewood s inventions, first appeared in 1774 after thousands of experiments ( 출처 : Wedgewood) 45

45 2. 극한 환경 극복기술 국내에서극한환경기술에주목하고그경제적가치에주목한보고서로 극한환경기술에서찾는우리의미래 4 을참고할수있다. 보고서에서는우주공장, 심해무인잠수정, 쇄빙선, 해수온실등을대표적인극한환경극복기술및제품으로소개하며, 특히관련된소재및로봇기술이파급효과가클것으로전망했다. 이시기를전후로국내대학연구실, 연구기관, 정부부처등의주도와참여로극한환경에서의건축 / 건설기술 ( 남극기지, 중동등의저온및고온환경 ), 소재기술 ( 복합재, 섬유등포함 ), 로봇기술 ( 달탐사, 우주기지건설, 심해잠수정개발등 ) 등의분야에서다양한연구가진행되어왔으며, 특히우주기지건설분야에서는 NASA 와의국제공동개발도계획되고있는것으로알려져있다. 더불어극한환경에서서식하는미생물등에대한연구를통해파급효과를도출하려는시도도진행중이다. 본리뷰에서는이전보고서와중복되는자료의소개는최소화하고시스템적관점에서극한환경극복기술을고찰하고자한다. 극한환경 극한환경세부조건상용화시기기술 / 제품고온저온고압진공전자기장 ( 년도 ) 우주 우주공장 ~ 심해극지방 심해무인잠수정쇄빙선 사막 해수온실 + ++ ~2015 그림 4. 극한환경기술의종류와특징 4 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 46

46 미래의블루오션극한환경기술전쟁 그림 5. 건설기술연구원이참여한화성우주기지개념설계모델아크햅 (ArcHab)( 출처 : 한국건설기술연구원 ) 그림 년예정된달탐사를위한로버시험모델 ( 출처 : 한국과학기술연구원 ) 47

47 국외연구현황및기술수준을판단할수있는매우유익한연구활동으로존스홉킨스대학의응용물리연구소 (Applied Physics Laboratory, APL) 의성과를참고해볼수있다. APL 은 1942 년설립당시 2차대전의승리를위해필요한과학기술개발을목적으로하였으나전후에는다양한경험들을기반으로도전적인연구분야를지속적으로개척해왔다. Clatterbaugh 등은 APL 설립이후축적되어온다양한극한환경기술개발경험들을바탕으로 Engineering System 을구현하는기준들을체계적으로정리하여극한환경기술을소개하고있다 5. APL 이개발한대표적인극한환경기술개발사례인 Implantable insulin pump, Deep ocean sensing system, Electronics in rail gun projectiles, Interplanetary space missions, Body armor, Microelectromechanical systems(mems) 를통해서축적된경험들을체계화하여극한환경기술개발전주기절차를 (1) 요구사항도출, (2) 시스템설계, 신뢰성제고를위한 (3) 시험평가 (Test and Evaluation) 및 (4) 모델링및시뮬레이션 (Modeling & Simulation) 의 4단계로제시하고있다. 극한환경기술의실패 (Failure) 는즉각적으로생명체의위협이되므로, 특히위험도 (Risk) 평가를위한점검표는별도로개발하여함께상세히소개하고있다. 즉, 다년간축적된다양한분야에서의극한환경기술개발경험들을통합하여신뢰성을담보할수있는, 개발전주기에걸친기준및절차를제시하고있다. 이점은국내연구자들도반드시고려해야한다고강조하고자한다. 고도의신뢰성을보장할수없는극한환경기술은그도전적인환경을극복하는신뢰성있는도구로사용될수없기때문이다. 이러한사항에의하여 APL 보고서가극한환경기술의다양한분야를개척해가고있는국내연구자들에게유익하다고판단된다. 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 48

48 미래의블루오션극한환경기술전쟁 그림 7. 화성과학연구소 (Mars Science Laboratory) 의로버 (Rover) 4 49 그림 8. 시스템요소들의물리적고장가능성을확인할수있는체크리스트

49 한편, 현재미국에서는국가적인역량개발전략의일환으로 2009 년부터 Department of Energy(DOE) 가주도하고있는 Energy Frontier Research Centers(EFRCs) 프로그램을통해서도극한환경기술연구를지원하고있다. 총 32개가운영중인 EFRCs 의하나로 Energy Frontier Research in Extreme Environment(EFree) 그것이다. EFree 는 Carnegie Institute of Washington 의주도로 4개대학이참여하고있다. 연구센터의주요임무는극한환경에서에너지변환기술개발및소재로활용될수있는안정적인물질의설계및합성물질의개발이다. 극한환경에서필수적인생명체보전및유지시스템의작동을위해서는안정적인동력원또는에너지시스템기술이핵심역량이기때문에장기적인기술개발을수행중이라고판단된다. 특히, 전문연구기관과대학실험실이공동으로혁신적인기술을발굴하는노력을수행하고있는점을통해극한환경기술개발을위해다양한조직 ( 인력 ), 기술의융합을통한창의력도출이필수적임을간접적으로알수있다. 그림 9. 극한환경첨단에너지연구개요 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 50

50 미래의블루오션극한환경기술전쟁 체계적이고전략적접근이필요한극한환경의하나로재난환경을대표적으로고려해볼수있다. ( 국내연구자들에게타분야에비해상대적으로주목받고있지못하는분야로판단되어본고찰에서다루어보고자한다.) 극심한재난은 2011 년 3월 11일이웃나라인일본도후쿠지방태평양해역에서발생한대지진과이어진쓰나미피해를통해그심각성을생생히인식할수있었다. 이러한재난상황에서더심각한도전은재난복구를위해필요한식수와전기를적시에안정적으로공급하는문제이다. 광범위한지역이재난의피해를입음으로관련인프라가모두파괴되어복구에상당한시간이소요되는상황에서필수생존물품과환경보존장비의지원은육상이나해상그리고항공을통해서도쉽지않다. 육로와해로는쓰나미로인한인프라파손으로접근이불가능하고항공을통한지원은활주로의확보가불가능하므로고정익기보다는회전익기 ( 헬리콥터 ) 가고려될수있다. 이경우무거운무게를감당할수있는헬리콥터를다수활용할수있다면물자의보급과지원이가능할것이다. 추가적인문제점은식수와전기등을공급할수있기위해서는이동형수처리장비및발전기가헬리콥터로이동이가능한적절한무게와부피로맞춤제작이되어있어야한다는점이다. 마지막으로이러한생명유지장비에필요한연료를포함한에너지원의공급이다. 이또한재난환경에맞게개발되어있어야할것이다. 특히, 수처리장비의경우재난지역주변의오염된물을식수로변환할수있는기술을함께갖추어야할것이다. 따라서재난환경에서는사전에수처리장비, 발전기, 에너지시스템및연료공급장비등이헬리콥터와같이고정활주로를필요로하지않는수송시스템으로이송이가능한무게와부피로최적화시켜야만하는융합연구가절대적으로필요하다. 즉, 시스템적인접근방법과체계개발이필수적이다. 더불어사업화를정당화하기위해서는상업성보다는공익성이우선되어야할것으로판단된다. 따라서극한환경기술의산업화에대한성급한기대보다는장기적인파급효과를통해산업화에기여하도록견인하는전략이필요하다. 51

51 그림 10. 이동식태양광발전기 (Solar Trailer)( 출처 : OkSolar) 그림 11. 이동식대용량발전기 (Mobile Power Plant)( 출처 : GE) 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 52

52 미래의블루오션극한환경기술전쟁 그림 12. 이동식수처리시스템 (Mobile Water Treatment System)( 출처 : GE) 그림 13. 세계에서가장큰비행체 - 유효하중도량 10 톤 ( 하이브리드비행체 ) World Biggest Aircraft Payload Capacity up to 10 ton (Hybrid Air Vehicles) 53

53 3. 융합연구 추진방향 앞서고찰을통해극한환경은잘알려진바와같이극심한우주환경과같이절대적극한조건들과더불어생명체의존속과관련한상대적이고지속성에대한도전으로그범위가매우광범위함을알수있다. 더불어상대적으로간과되고있는재난환경에대한관심과관련기술개발이필요하다. 극한환경에서도생명 / 자원, 기계 / 수송, 동력 / 에너지시스템등이지속가능하도록다양한극한환경극복기술의개발및확보는국가핵심역량으로필수적이다. 다만, 이러한노력들이성과를도출하고미래고부가치산업으로자리잡는데는기존에진행중인연구들의통합노력을통한체계구축이필요하다. 즉, 산업화를위해서는국내에서수행중인분야별기술개발과더불어시스템적인접근방법이병행하여추진되어야한다. 시스템개발을위해서는기개발된기술의최적화를통한재창조및활용을목표로하고, 애로기술들은분야별기술개발을통해신기술을확보하는두가지방향으로추진이가능하다. 선진국들에의해선점되어있는극한환경기술분야에서성과를달성하기위해전략적인접근이필요할것이다. 이를위해, 극한환경을극복해야하는핵심시스템 ( 체계 ) 을크게세가지, (1) 생명 / 자원체계, (2) 기계 / 수송체계, (3) 전자 / 통신체계로구분하고이러한시스템 ( 체계 ) 들이극한환경에서안정성과신뢰성을가지고구현될수있도록기여할수있는공통핵심기술들 (Key Enabling Technologies) 을 ( 가 ) 소재 / 제조, ( 나 ) 측정 / 제어, 그리고 ( 다 ) 동력 / 에너지기술로구분하여추진할필요가있다. 예를들어고온환경을극복하는기술로서소재와냉각기술들을고려할수있는데이러한기술들이시스템으로구현되는데는제조, 측정 / 제어및동력 / 에너지기술들이종합적으로융합되어야한다. 따라서, 세가지핵심시스템들이노출될수있는극한환경조건들을도출하고, 이를극복할수있는공통핵심기술 (Key Enabling Technology) 을개발하는데역량을집중할필요가있다. 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 54

54 미래의블루오션극한환경기술전쟁 이를위해서, 국내에서진행중인기술개발활동들간의교류를촉진하고, 더불어핵심시스템별 요구조건들을도출하는작업을체계적으로수행하여, 공통핵심기술들을발굴해나간다면선진 국들과의격차에도불구하고효과적인기술확보및선도가가능할것이라고판단된다. APPLICATIONS 극한환경기술극복 Enabling Technologies 극한환경 Extreme Environment 생명 자원체계 기계 수송체계 소재 측정 동력 제조 제어 에너지 REQUIREMENTS 전자 통신체계 그림 14. 극한환경극복기술개발체계 손창민 (Son Chang Min) 학력 University of Oxford Engineering Science 박사 부산대학교기계공학과석사 부산대학교기계공학과학사경력 現 ) 부산대학교기계공학부교수 前 ) Rolls-Royce plc. Strategic Research Centre 연구팀장 前 ) 한국항공우주연구원선임연구원 55

55 참고문헌 1. Chatelier, H. L., & Boudouard, O., High-Temperature Measurements, John Wiley & Sons, Zemansky, M. W., Temperatures Very Low and Very High, Dover Publications, Ulmer, G. C., Research Techniques for High Pressure and High Temperature, Springer-Verlag, 성낙환, 극한환경기술에서찾는우리의미래, 엘지경제연구원, Clatterbaugh, G. V., Trethewey Jr, B. R., Roberts, J. C., Ling, S. X., & Dehghani, M. M., Engineering System for Extreme Environment Technology, John Hopkins University Applied Physics Laboratory Technical Digest Vol. 29, No. 4, US Department of Energy, Energy Frontier Research Centers One Page Overviews, 2014 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 56

56 미래의블루오션극한환경기술전쟁 국가 R&D 현황분석 최근 3 년간 (2011~2013 년 ) 극한환경기술과관련된연구개발사업을분석해보았다. l 과제선별기준 l 연구요약문내 ( 극한환경 ) or ( 극한환경 ) 으로검색 분석결과최근 3년간총 116 건의과제에 억원의연구비가투자됨 극한환경기술에대한관심의증가와비례하여연구비와과제수모두꾸준하게증가하는것으로나타남 하지만최근전도성폴리머에대한전세계적인관심과식량산업의시장규모를고려해보았을때전체적인전도성폴리머에대한연구비규모가충분치않은것으로사료됨 50 연도별연구비와연구과제건수 연구비 ( 억원 ) 연구과제수 ( 건 ) 연구수행주체대학과출연연구소를중심으로다양한연구를수행하고있는것으로나타남 대학의경우 71건의과제에 224억원의연구비로다양한주제의연구를하고있는것으로나타났으며, 출연연구소의경우에도한국해양연구원, 한국기계연구원, 한국건설기술연구원등다양한기관에서다양한연구를수행하고있는것으로나타남 - 일부기업에서도극한환경에서의제품활용을위한부품국산화, 제품신뢰성테스트등을위한연구개발이일부이루어지고있는것으로나타남 57

57 28% 63% 0% 1% 7% 1% 대학 출연연구소 대기업 3.3 중견기업 7.2 중소기업 기타 11.8 단위 ( 억원 ) 연구수준극한환경기술의특성상다양한수준의연구개발이이루어지고있는것으로나타남 개발단계별로는기초연구가 63건 245억원으로가장높게나타났으나, 응용 (74.9억원, 15건 ), 개발연구 (138.1 억원, 34건 ) 도활발히이루어지고있는것으로나타남 연구개발성격측면에서는극한환경기술이실질적으로적용될수있는연구개발위주로이루어진다는것을보여주듯이기타개발 (458.7 억원, 36건 ) 및제품또는공정연구 (140.6 억원, 31건 ) 중심의연구가이루어지고있는것으로나타남 기술수명주기적측면에서는도입기 (516.3 억원, 47건 ) 가대다수를차지하였으며, 일부성장기 (185 억원, 46건 ) 로보고있는연구개발분야도상당수되는것으로나타남 연구개발단계 30% 9% 17% 44% 기초연구 응용연구 74.9 개발연구 기타 단위 ( 억원 ) 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 September vol.2 no.9 58

58 미래의블루오션극한환경기술전쟁 연구개발성격 6% 17% 3% 57% 17% 아이디어개발 46.1 제품또는공정 시작품개발 28.7 기타개발 미분류 단위 ( 억원 ) 기술수명주기 64% 23% 3% 10% 도입기 성장기 성숙기 22.0 기타 85.0 단위 ( 억원 ) 연구분야국가과학기술표준분류와미래유망신기술분류 (6T), 국가기술지도분류 (NTRM) 를분석한결과 특정분야에종속되지않고다양한분야에서활발한연구가이루어지는융합연구의특성을보이고 있는것으로나타남 연구분야 [ 국가과학기술표준분류 ] 37% 기계 % 원자력 농림수산식품 0.5 3% 전기 / 전자 % 문화 / 예술 / 체육 0.5 2% 정보 / 통신 8.2 0% 보건의료 2.1 3% 환경 % 생명과학 % 물리학 % 수학 0.5 5% 재료 % 에너지 / 자원 % 건설 / 교통 28.5 단위 ( 억원 ) 59

59 연구분야 [6T] 63% 2% 5% 1% 26% 3% 0% ET IT 18.4 NT 42.7 ST 6.7 포함되지않음 BT 20.3 CT 0.5 단위 ( 억원 ) 연구분야 [NTRM] 60% 13% 1% 10% 14% 2% 0% 환경 / 에너지프론티어진흥 기반주력산업가치창출 국가안전및위상제고 5.8 기반주력산업가치창출 기타 정보 / 지식 / 지능화사회구현 15.4 건강한생명사회지향 4.8 단위 ( 억원 ) 기계 (163 억원, 30건 ) 와에너지 / 자원 (79.5 억원, 11건 ) 분야를중심으로많은연구가이루어지고있는것으로나타났으나, - 문화 / 예술 / 체육, 보건의료, 수학, 건설 / 교통등크게관련성이높아보이지않는다양한분야에서도극한환경기술을활용하거나연구하기위한과제들이존재하는것으로확인되었으며, 이를통해극한환경기술이다양한분야간의융합을통해이루어지는연구분야임을알수있음 6T 기준에서또한일부기술에국한되는것이아닌모든 6T 분야에대하여다양하게연구가이루어지고있는것으로나타남 - 연구비상의편차는존재하지만모든 6T 분야에서연구가이루어지고있다는사실은극한환경기술의높은파급성을보여주는것이라생각됨 - NTRM 분석결과에서또한환경 / 에너지프론티어진흥이가장높은비중 (60%) 을차지하는것으로나타나기는하였으나모든분야에걸쳐활발한연구가이루어지고있는것으로나타남 융합연구리뷰 Convergence Research Review 2016 June vol.2 no.6 60

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