계산 물리 기반의 스핀트로닉스 연구

[이슈메이커=임성희 기자] 

계산 물리 기반의 스핀트로닉스 연구

임성현 울산대 반도체학과 교수/이론계산물리연구실(사진=임성희 기자)

스핀과 오비탈 전류, 교자성까지 차세대 전자 소자 다뤄
기초에서 응용까지 다룰 수 있는 연구력

스핀트로닉스는 스핀(spin)과 전자공학(electronics)의 합성어로 전자가 특정 방향으로 갖는 고유한 ‘스핀’을 정보 저장과 처리의 기본 단위로 사용하는 ‘스핀 소자’를 이용한다. 실리콘 반도체를 이끈 전자공학(일렉트로닉스)보다 더 나아간 차세대 기술이다. 전자 이동은 물질 내부 원자와 충돌해 열이 발생하며 에너지 소모와 소자 효율이 떨어지는 문제를 동반한다. 이를 해소하기 위해 최근에는 스핀 자유도를 이용한 스핀 소자 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 최근 ‘스핀전달토크의 부호 조절 메커니즘’ 연구로 2025년 교육부 학술연구지원사업 우수성과 50선에 선정된 울산대 임성현 교수는 응집 물질 물리 전문가로 계산 물리를 통해 스핀트로닉스를 연구하고 있다. 50선 선정을 계기로 그간 그의 연구 여정을 들어봤다.

텅스텐 활용한 스핀트로닉스 연구 진행
기자와 이름 끝자만 다르다며 임성현 교수가 기자를 보자마자 말을 건넸다. 그렇게 서로 성(姓)의 본을 묻고 한자를 물으며 인터뷰를 시작했다. 그는 제일원리 계산 및 초전도 이론으로 박사 학위를 취득했고, 2017년 울산대에 부임해 그래핀 자성체 스핀트로닉스 비선형광학 등 응집 물리 전반에 관한 연구와 인력양성을 진행하고 있다. 전자구조 계산에 관한 논문을 Phys. Rev. 저널을 중심으로 80여 편 출판했으며 자성체 분야 자기이방성과 스핀 및 비정상 홀전도도 계산에서는 최고 수준의 신뢰성 있는 계산 결과를 도출하고 있다. “기초과학에 우선 집중해서 기초 물성을 연구하고 발견한 특성이 어떤 분야에 응용될 수 있을지를 생각합니다. 처음부터 응용에 집중하면, 과학적 호기심을 해칠 수 있어서요”라며 그는 최근 텅스텐에 집중하고 있다고 소개했다. “스핀트로닉스 중에서 텅스텐 관련된 스핀트로닉스를 하고 있습니다. 한국에 제일 많은 지하자원으로 단단한 원소이며 실리콘 공정과 친화적이어서 차세대 반도체 소자로 가능성이 크다고 판단해 연구하고 있습니다” 

기존에 없던 새로운 자성, 교자성 연구 기대
임성현 교수가 현재 집중하는 연구주제는 차세대 반도체 소자 연구, 2차원 자성체, 교자성 연구다. 구체적으로 스핀트로닉스, 오비트로닉스 등이며 임 교수는 “스핀트로닉스 분야 특히 오비탈전류 기반 오비트로닉스는 한국 연구자들이 세계를 리드하고 있습니다. 스핀트로닉스 기술은 에너지 효율이 높은 저전력 소자개발의 기반을 마련해, 차세대 반도체 세계적인 패권 경쟁에서 기술적으로 앞설 수 있는 중요한 기술이라고 생각합니다”라고 밝혔다. 현재 그는 ‘교자성 스핀트로닉스 스핀 오비탈 홀 효과와 스핀 갈라짐 필터 등의 제일원리 연구’ 과제를 진행 중이며 ‘교자성(알터마그네티즘)’은 강자성체와 반강자성체의 특징을 모두 보유한 차세대 스핀트로닉스 물질로 교자성에서의 스핀트로닉스 연구는 차세대 소자개발 응용에 매우 유망하고 도전적인 주제이다. “교자성 스핀트로닉스 연구는 소재 선택의 폭을 넓히고, 이를 활용한 소자개발은 향후 반도체 산업 발전의 한 축이 될 것입니다”라며 덧붙여 그는 “스핀과 오비탈의 준입자들 사이에서 상호작용 등은 물리학의 기초 관점에서도 양자역학적인 각운동량과 수송 및 각종 collective 현상 뒤에 숨은 메커니즘을 규명하는 아주 중요한 문제입니다”라고 설명했다.

2025년 교육부 학술연구지원사업 우수성과 50선 
최근 임성현 교수는 ‘스핀전달토크의 부호 조절 메커니즘’ 과제로 2025년 교육부 학술연구지원사업 우수성과 50선에 선정됐다. “개인적으로 기쁜 일이며, 저 혼자만의 연구로 된 것이 아니라 주변의 많은 연구자의 지성이 합쳐진 집단지성이 이뤄낸 결과입니다”라고 소감을 밝혔다. 교육부 지역대학 우수연구자 과제로 약 4년간 이뤄진 연구는 물질이 바뀌더라도 유사한 원소면 스핀 전달토크 부호의 반전은 없을 것으로 생각했는데, 반전된 것을 발견했고, 이를 현상의 관찰만이 아니라 계산이론 모델로 반전이 될 수 있다는 과학적 근거를 제시하며 물질 조합에 따라서 자유롭게 디자인할 가능성을 제안한 것이다. 좋은 저널에 게재돼 이번 선정의 영예를 안았다. 

스핀트로닉스, 교자성 연구 등 차세대 반도체 소자로 응용 될 수 있는 연구를 진행하며 임성현 교수는 학문적 호기심에서 시작했지만 사회에 도움이 될 수 있다면 더할 나위 없이 좋을 것 같다고 이야기했다. 학생들에게도 인내심을 갖고 연구에 임해주길 주문했다.(사진=임성희 기자)

스핀, 오비트로닉스 분야 전문인력 양성
학생 모집에 대해서 임 교수는 자신의 연구에 관심을 두고 찾아오는 학생들에게 기회를 줄 것이라고 말했다. “이론 물리를 하니 자발적 동기 부여가 아주 큽니다. 어려운 연구 과정이 있더라도, 인내하며 본인의 길을 찾는 것이 가장 좋다고 생각하며, 다만 저는 모르는 것이 있다면, 인정하고 배우는 자세를 가져야 한다고 강조합니다. 모르는 것을 모른다고 말할 때 더 좋은 길이 보입니다”라며 “스핀, 오비트로닉스 관련 실험해석에 친숙한 이론 분야 전문인력을 양성해 내겠습니다”라고 강조했다. 
  임성현 교수는 앞으로도 변함없이 물질을 탐구하는 연구 여정을 지속하겠다고 밝혔다. 그가 또 어떤 연구페이지를 만들어 갈지 귀추가 주목된다.