[데일리비즈온 김소윤 기자] ‘꿈의 신소재’ 그래핀이 자기장 없이 스핀 전류를 생성해냈다. 18일 과학계에 따르면 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 조성재 교수 연구팀이 그래핀으로 자기장, 자성체 없이 스핀 전류를 생성해 검출하는 실험에 성공했다.

그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이루어진 2차원 물질(원자만큼 얇은 물질)로서 전기전도성, 탄성, 안정성이 높아 ‘꿈의 나노’라고도 불린다.

이에 그래핀은 전자스핀을 정보화하는 분야인 스핀트로닉스 응용에 큰 기대를 받아왔지만 전자의 스핀과 전자의 궤도가 상호작용하는 스핀-궤도 결합 에너지가 매우 약했다. 때문에 스핀 전류를 직접 생성하거나 검출할 수 없다는 한계가 있었다.

연구팀은 그래핀에 스핀-궤도 결합이 매우 큰 전이금속이자 디칼코게나이드 물질인 2H-TaS2를 접합시켜서 그 인접효과로 그래핀의 스핀-궤도 결합을 100배 이상 증가시키는 데 성공했고 이어 ‘라쉬바 효과’를 유도하는 데 성공했다.

‘라쉬바 효과’란 강한 스핀 궤도 결합으로 그래핀과 같은 2차원 물질 내부의 전기장이 자기장으로 전환되는 효과를 말한다. 이를 이용해 스핀 전류를 생성, 검출하는 효과를‘라쉬바-에델스타인 효과’라고 부른다. 이번 연구에서는 이 효과를 그래핀에서 최초로 구현했다는 설명이다.

라쉬바 효과가 그래핀에 유도되면 라쉬바-에델스타인 효과에 의해 전하 전류와 스핀 전류가 상호 전환이 가능하다. 자기장이나 자성체 없이 그래핀에 전류를 흘려줌으로써 스핀 전류를 생성시킬 수 있음은 물론 그래핀 층에 흘러들어오는 스핀 전류를 전하 전류 혹은 전압 측정을 통해 검출할 수 있다는 것이다.

조성재 교수는 “상온에서 실험이 성공했기 때문에 응용 가능성이 매우 크다. 향후 우리나라 비메모리 산업뿐 아니라 세계적으로 스핀트로닉스 관련 물리학 및 산업에 응용할 수 있는 효과를 기대할 수 있어 의미가 있다”고 말했다. 이번 연구결과는 8일 국제 학술지 에이씨에스 나노 (ACS Nano) 온라인판에 게재됐다.

앞서 국내 연구진이 지정된 충전기 위에 올려놓지 않고 어디에서나 무선 충전이 가능한 대면적 기술을 개발해 자기장과 관련 된 다양한 기술이 제시됐다. 지난해 말 울산과학기술원(UNIST)은 변영재 전기전자컴퓨터공학부 교수팀이 전력을 주고받는 자기장 신호를 공기에서 ‘페라이트(ferrite)’로 바꾼 대면적 자율배치 무선충전이 가능해졌다고 밝혔다.

무선충전은 전류가 자기장을 일으키면서 반대로 자기장도 전류를 발생시키는 원리를 이용하는데 전원장치의 전류에서 발생된 자기장을 전자기기가 받아 다시 전류로 바꾼다. 무선충전 기술은 자기장을 보내는 매질로 공기를 이용하는데 다만 자기기와 무선충전기가 멀어지면 충전 효율이 급격히 끊길 수 있다. 연구팀은 이에 페라이트로 매질을 바꿨다.

페라이트는 자성을 갖는 산화철계 세라믹이다. 자기장이 공기로 전달될 때는 자기장을 가로막는 성질이 있는데 페라이트를 사용하면 저항이 적어 전력이 용이하게 전달된다는 특징이 있다. 

연구팀은 새로운 무선충전 시스템은 충분히 실현 가능하지만 페라이트가 무겁고 가격이 비싸다는 점을 언급하면서 페라이트를 대체할 물질을 찾고 시스템을 최적화하는 연구를 추가로 진행할 방침이라고 밝혔다.

이들은 넓은 면적에 원천적으로 무선 충전을 할 수 있는 기술을 발견한 것을 토대로 향후 책상, 바닥 등에 접목돼 앞으로 다가올 사물인터넷(IoT) 시대에 각광받을 것으로 기대하고 있다.