■ 차세대 전자 소자, 액시톤 상용화 길 텄다.

■ 차세대 전자 소자, 액시톤 상용화 길 텄다.

 

● 에너지 손실 없는 꿈의 소자. 컴퓨터 실현 가능성↑

 

국내 연구진이 전력 소비가 거의 없고 열도 나지 않는 차세대 정보통신 소자 액시톤이 실온에서 자발적으로 형성되는 현상을 세계 최초로 관측하는 데 성공했다. 에너지 손실과 발열 현상이 없는 꿈의 소자 및 컴퓨터를 실현해 낼 수 있는 단초를 마련했다는 평가이다. 기초과학연구원(IBS)은 염한웅 원자제어 저차원 전자계 연구단장(포항공대 물리학과 교수) 연구팀이 저항 없이 정보 전달이 가능한 입자 ‘액시톤’이 실온에서 자발적으로 형성되는 현상을 세계 최초로 관측했다고 2021년 07월 16일 밝혔다.

 

액시톤은 자유 전자(-)와 양공(+)이 결합하여 만들어지는 입자이다. 주로 반도체나 절연체 물질에 빛을 쏠 때 생긴다. 전하가 0인 액시톤은 물질 내에서 움직일 때 저항을 받지 않아 에너지 소모 없이 정보를 전달할 수 있다. 전력 소비가 크고 발열이 동반되는 고성능 소자의 한계를 해결할 차세대 기술로 주목받고 있다. 하지만, 레이저로 만든 액시톤은 수명이 매우 짧아 안정성이 떨어지기 때문에, 정보 처리 소자에 활용하기는 어려웠다. 수명이 긴 액시톤을 만들기 위해 전자와 양공을 직접 조종하는 연구가 시도됐지만, 극저온에서만 액시톤을 만들 수 있다는 한계가 있었다.

 

연구진은 특별한 전자구조를 갖는 물질에서 자발적으로 생성되는 액시톤을 관측하고자 실험을 설계했다. 1970년대에 제시된 액시톤 절연체 예측 이론이 연구의 중요한 계기가 됐다. 이 이론은 특이한 전자구조를 가지는 반도체나 반금속에서는 높은 온도에서도 수명이 긴 액시톤이 자발적으로 만들어질 수 있다고 예견했다. 수 년 전 도쿄대에서 이러한 조건에 부합하는 반금속 물질을 제안하였으나 액시톤을 실험적으로 확인하지는 못했다. 연구진은 도쿄대가 제안했던 셀레늄화니켈다이탄탈룸(Ta2NiSe5)을 고품질로 직접 합성하여 액시톤 신호를 검출하는 데 성공했다. 액시톤을 빛으로 자극하면 자유전자와 양공으로 붕괴되는데, 이 때 액시톤을 구성하던 자유 전자가 빛을 받아 튕겨져 나온다. 그러나, 이 광전자가 액시톤 붕괴에 의한 것인지 확인하려면, 고체에서 나오는 다른 무수한 광전자와의 구분이 필요하다.

 

연구진은 이를 위해 세계 최고 수준의 성능을 가지는 광전자 분광 장치를 개발했다. 이 장치는 빛의 편광을 변화시키면서 광전자를 측정할 수 있다. 따라서 이 물질의 일반 광전자가 발생되지 않는 편광 조건에서도 측정을 할 수 있었고 매우 강한 광전자 신호를 검출했다. 이 새로운 광전자의 에너지와 운동량을 분석한 결과 이론적으로만 예측되었던 액시톤의 신호로 확인됐다. 염한웅 단장은 “세계 최초로 실온에서 자발적으로 형성되는 액시톤 입자를 관측함으로서 1970년대의 소위 액시톤 절연체 예측이 옳았음을 증명했다. 수명이 긴 액시톤을 발견함으로써 향후 저항 손실 없는 소자와 컴퓨터가 실현될 가능성이 높아졌다”고 의의를 밝혔다. 이 연구 결과는 국제 학술지 네이처 피직스(Nature Physics, IF 20.034)지에 16일 게재됐다.