과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 8월 수상자로 정명화 서강대 물리학과 교수를 선정했다고 6일 밝혔다.
'이달의 과학기술인상'은 최근 3년간 독보적인 연구개발 성과를 창출해 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정해 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상으로, 과기정통부 과학기술진흥기금․복권기금의 재원으로 운용된다.
과기정통부와 연구재단은 2025년 '세계 양자 과학기술의 해'를 기념하며, 세계 최초로 '양자역학적 스핀(spin) 펌핑 현상'을 실험적으로 입증한 정명화 교수를 수상자로 선정했다. 정명화 교수의 연구는 스핀트로닉스 기술의 실용 가능성을 확장하며 차세대 양자소자 및 스핀 기반 반도체 기술의 패러다임 전환을 촉진할 핵심 성과로 평가받고 있다.
스마트폰 등 일상에서 사용되는 전자기기는 전자의 이동으로 작동한다. 하지만 전자가 이동할 때 물질 내부의 원자들과 충돌하면서 열이 발생해 에너지 소모량 증가와 소자 효율 감소의 원인이 되고 있다.
이 같은 문제를 해결하기 위해 최근에는 전자의 이동 없이도 전자 회전으로 발생하는 스핀 에너지를 자성체에서 비자성체로 전달하는 '스핀 전류'와, 스핀 전류를 생성하는 '스핀 펌핑' 방식에 대한 연구가 활발하다. 다만 기존의 고전역학적 스핀 펌핑은 회전하는 팽이처럼 움직이는 세차운동을 기반으로 전류를 생성하기 때문에 스핀 흐름의 제어·전달·변환 과정에서 손실이 발생하는 등 에너지 효율이 제한적이라는 한계가 있었다.
정명화 교수는 고전역학적 스핀 펌핑이 지닌 한계를 넘기 위해 스핀의 양자역학적 특성을 정밀하게 활용한 새로운 스핀 생성 방법을 제시했다. 즉, 스핀 방향이 고정된 상태에서 스핀의 '크기'가 변화할 때 스핀 전류가 발생하는 '양자역학적 스핀 펌핑 현상'에 주목해, 이를 통해 생성되는 스핀 전류가 세차운동 기반의 스핀 전류보다 매우 클 것으로 예측했다.
이를 실험적으로 입증하기 위해 '철(Fe)-로듐(Rh)'이라는 특별한 자성박막을 제작하고, 기존 방식보다 10배 이상 큰 스핀 전류를 생성하는 데 성공했다. 극저온 환경에서 관측되는 것이 일반적인 양자역학적 현상을 상온에서도 구현함으로써 상온에서도 효율 좋은 스핀 전류를 만들 수 있음을 입증했다. 이 연구 결과는 지난 1월 국제 학술지 '네이처'에 게재됐다.
정명화 교수는 "이번 성과는 스핀트로닉스 기술의 진보는 물론 에너지 효율이 높은 저전력 소자 개발의 기반을 마련함으로써 차세대 양자소자 기술의 활용 가능성을 확장했다는 점에서 큰 의미가 있다"라고 말했다. 정 교수는 "자성 현상이나 스핀의 양자적 특성에 대한 이해는 당장 제품을 만드는 데 직결되지 않을 수 있다"면서도 "하지만 이런 근원적인 지식들이 축적돼 예측 불가능한 새로운 기술의 씨앗이 되고, 결국에는 인류의 삶을 획기적으로 변화시킬 만한 발견으로 이어질 수 있다"고 말했다.