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1차원 원자도선으로 다진법 기반 전자소자 가능성

보도일

2017-02-07 12:00

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연구단명

원자제어 저차원 전자계 연구단

보도자료

 [보도자료]1차원 원자도선으로 다진법 기반 전자소자 가능성(2.8_조간).hwp

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1차원 원자도선으로 다진법 기반 전자소자 가능성

- '카이럴 솔리톤'간 규칙적 상호전환 첫발견... 신개념 정보처리기술(솔리토닉스) 제시 -

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅)과 포스텍 공동 연구진은 실리콘기판 위에 형성된 1차원 인듐 원자도선1) 구조를 따라 움직이는 카이럴 솔리톤(chiral soliton)이 충돌할 때 서로 간 규칙적인 상호전환이 일어난다는 사실을 최초로 발견했다. 더욱이 이를 4진수 연산체계로 구현해 냄으로써 새로운 정보전달 및 연산소자로서의 가능성을 제시했다.

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이전 연구(2015.10, Science)에서 연구진은 인듐 원자도선에서 서로 다른 3 종류의 솔리톤을 발견하고 이를 '카이럴 솔리톤'2)이라고 명명한 바 있다. 솔리톤이란 원자도선 양단이 서로 다른 위상3) 상태일 때 생기는 그 사이의 경계를 말한다. 이 경계에 전자가 한 개씩 갇히게 되는데 선폭이 1nm4)인 원자도선에서 솔리톤의 방향성을 바꿔주면 전자를 한 개씩 이동시킬 수 있게 된다. 이를 활용하면 현재 1 비트5) 인식에 필요한 수십~수백 개의 전자를 하나의 전자로 대체할 수 있다. 외부 간섭이나 충격에 영향을 받지 않는 위상학적 특성을 지닌 솔리톤이 전자를 안정적으로 전달하기 때문이다. 하지만 솔리톤의 안정성은 역설적으로 솔리톤에 정보를 기록하고 바꾸는 것을 어렵게 한다.

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또한 안정성으로 인해 솔리톤은 생성이나 소멸만 가능한 것으로 알려져 있었으나, 이번 연구에서는 3 종류의 카이럴 솔리톤 간 상호전환이 가능함을 최초로 밝혔다(그림 1, 2 참조)6). 염한웅 단장은 "1차원 인듐 원자도선에서 다른 종류의 카이럴 솔리톤 간의 충돌을 통해 제3의 카이럴 솔리톤이 만들어질 수 있음을 실험적으로 보였다"며 이번 연구의 의의를 밝혔다.7)

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발견된 카이럴 솔리톤 간 상호전환은 에너지적 상태로 인해 늘 일정한 패턴으로 이루어진다. 또한 3 종류의 카이럴 솔리톤과 솔리톤이 존재하지 않는 상태(null)를 함께 조합함으로써 4진수 연산이 가능하다(그림 3 참조). 이를 활용한 소자와 컴퓨터가 구현된다면 현재의 2진법에 기반한 컴퓨터에서보다 월등히 많은 정보를 동시에 처리할 수 있다.8)

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솔리톤의 위상학적 안정성을 활용하여 이전 연구에서는 단전자 소자의 활용가능성을 제시한 데 이어 이번 연구는 저장된 정보의 안정성은 유지하면서 예측과 조작이 가능한 형태로 이 정보들을 변환할 수 있는 다진법 기반의 연산 기술을 확보한 것이다. 연구진은 이러한 새로운 정보처리기술을 '솔리토닉스(solitonics)'라 명명하였다.

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카이럴 솔리톤 소자는 다진법에 기반할 뿐 아니라 정보저장과 연산을 동시에 수행함으로써 인간의 뇌를 모방하는 첨단기술로 인공지능 시대의 신개념소자로 각광받고 있는 뉴로모픽 기술의 발전에도 큰 공헌을 할 것으로 기대된다. 또한 실리콘을 기반으로 하므로 기존의 상용 소자기술과 쉽게 결합될 수 있는 장점이 있어 신개념 차세대 소자와 인공지능기술 개발의 활성화에도 기여할 것이다.

연구결과는 과학저널 네이쳐 피직스(Nature Physics, IF 18.791) 온라인판에 2월 7일 게재되었다.

▲ [그림. 1] 카이럴 솔리톤 전환 개념도

[왼-카이럴 솔리톤(L) + 비-카이럴 솔리톤(A) = 오른-카이럴 솔리톤(R)]

▲ [그림. 2] 카이럴 솔리톤 간 상호전환 측정값

▲ [그림. 3] 카이럴 솔리톤 연산표

▲ [참고] 카이럴 솔리톤의 세가지 종류

1) 인듐 원자선(indium atomic wire)은 인듐원자가 사슬처럼 엮인 선폭 1nm 이하의 와이어로 실리콘 표면에 인듐을 뿌리고 500℃로 온도를 높이면 인듐원자가 규칙적으로 조립되면서 만들어진다. 상온에서는 도체지만 영하 150℃에서는 부도체이므로 1차원 위상부도체의 성격을 갖는다.

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2) 본래 카이럴성(chirality)은 손을 뜻하는 그리스어에서 유래한 말로 왼손과 오른손처럼 서로 겹칠 수 없는 거울상 대칭을 의미한다. 여기에서는 서로 다른 위상학적 특이성을 의미하는데 왼-카이럴, 오른-카이럴, 비-카이럴 이렇게 3종류의 솔리톤이 카이럴 솔리톤을 이룬다.

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3) 위상학은 찢어지지 않은 상태를 유지하면서 물체의 모양을 연속적으로 바꿀 때 변하지 않는 성질을 연구하는 학문으로 전자들도 1차원 원자선에서 공간적으로 어떻게 분포하는지에 따라 위상학적으로 다른 바닥상태가 존재할 수 있다. 이처럼 다른 바닥상태들이 하나의 원자사슬에서 만나게 되면 이들을 이어주는 위상학적 들뜸상태(topological excitation)인 솔리톤(soliton)이 생겨난다. 이 솔리톤은 주변의 바닥상태가 깨지지 않는 한, 외부 간섭에도 변하지 않는 안정된 구조이다.

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4) 10억분의 1미터. 인텔, 삼성전자 등 글로벌 메모리 업체들은 현재 기술로는 선폭 5nm를 최소 소자의 한계로 보고 있다. 2016년 인텔은 5nm 이하 급의 소자소형화를 더 이상 추진하지 않기로 했다.

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5) bit: 디지털 신호의 최소 단위로 컴퓨터 기억장치는 모든 신호를 2진수 0과 1로 고쳐서 기억한다.

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6) 한 예로 [왼-카이럴 솔리톤]과 [비-카이럴 솔리톤]이 충돌하면 [오른-카이럴 솔리톤]으로 전환된다.

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7) 1차원 원자선에서 위상학적 안전성을 유지하면서 위상학적 특이성을 다른 특이성으로 전환되는 것을 최초로 증명해 낸 것이다.

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8) 현재 컴퓨터에서 사용하는 2진수의 경우 8비트는 256가지의 정보를 표현할 수 있는 반면, 4진수의 8비트는 65,536가지의 정보를 다룰 수 있다.

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