고사양 게임 걸림돌 스마트폰 '발열', 자석 미세 진동으로 잡는다

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 고사양 게임이나 장시간 영상 시청 시 스마트폰이 뜨거워지는 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 기술이 제시됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 자석 내부에서 일어나는 미세한 진동인 '스핀파'를 활용해 나노 크기에서 신호의 속도(주파수)를 크게 바꾸는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

이 진동은 '마그논'이라는 단위로 설명되며, 이번 성과는 기존 전자를 이용한 방식으로는 구현하기 어려웠던 아주 작은 크기에서도 전력 소모를 크게 줄일 수 있는 신호 제어 방식을 제시했다는 평가를 받고 있다.

연구팀이 사용한 소재는 머리카락보다 훨씬 얇은 자성 물질을 여러 겹 쌓아 만든 인공 반강자성체(SAF)다. 이 구조 안에서는 자석의 스핀파가 음향 모드와 광학 모드 두 가지 방식으로 나타난다. 연구팀은 특정 조건에서 이 움직임이 서로 갑자기 바뀌는 '모드 변환' 현상을 최초로 확인했다.

신호의 상태가 연속적으로 변하는 기존 방식과 달리, 특정 순간에 전혀 다른 상태로 바뀌면서 주파수가 함께 급격히 변하는 현상이다. 복잡한 회로 없이도 스핀파의 상태 변화만으로 신호의 주파수를 제어할 수 있다.

이번 연구의 핵심은 모드 변환을 통해 주파수를 5기가헤르츠(GHz) 이상 급격하게 변화시킬 수 있다는 점이다. 마치 라디오를 듣다가 버튼 하나로 채널을 완전히 바꾸는 것과 같다.

연구팀은 아주 작은 안테나를 이용해 전자기파 신호를 보내 자석 속에 미세한 진동을 만들어냈다. 이후 외부 전력과 자기장의 세기를 조절하자 이 진동의 속도(주파수)가 일정하게 변하지 않고 갑자기 달라졌다.

이 변화는 마그논이 하나에서 둘로 나뉘거나, 반대로 다시 하나로 합쳐지는 '삼중-마그논 상호작용' 과정에서 발생한다.

연구팀은 특히 빠른 주파수 변화가 복잡한 전자 회로 없이도 가능하다 점을 주목해야 한다고 설명했다. 단순히 신호의 세기만 조절해도 주파수를 자유롭게 바꿀 수 있어 장치 구조는 더 간단해지고 전력 소모도 크게 줄일 수 있다.

이 현상은 '켜짐'과 '꺼짐'을 구분하는 스위치처럼 사용할 수 있어, 새로운 방식의 반도체나 인간의 뇌처럼 작동하는 뉴로모픽 컴퓨팅 기술에도 활용 가능할 것으로 기대된다.

김 교수는 "이번 연구는 그동안 이론으로만 제시된 자석의 진동을 이용한 정보처리 원리를 실제 나노 소자에서 구현하고 제어할 수 있음을 입증한 사례"라며 "앞으로 전자 대신 스핀파를 활용하는 새로운 정보처리 패러다임의 발전에 중요한 기반이 될 것"이라고 강조했다.

KAIST 유무진 연구원이 제1저자로, 공동 교신저자로 박민규 연구교수가 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.

연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 양자정보과학 인적기반조성사업, KAIST 양자대학원, 선도연구센터(SRC) 및 중점연구소의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr