새로운 지평을 열다: 다이아몬드의 ‘컬러 센터’를 조작하여 데이터 저장을 혁신할 수 있는 방법

다이아몬드의 컬러 센터는 최근 연구자들과 과학계가 크게 관심을 가져온 주제입니다. 이들이 우리의 증가하는 저장 요구를 어떻게 충족시킬 수 있는지 더 깊이 파고들기 전에, 다이아몬드의 컬러 센터가 무엇인지 간략히 이해해 보겠습니다. 

컬러 센터란 무엇인가?

컬러 센터는 물질의 결합 구조 내에 존재하는 결함입니다. 여기서 결합은 분자 내 원자 또는 이온 사이의 지속적인 인력을 의미합니다. 원자나 이온을 결합시키는 힘은 반대 전하를 가진 이온 사이의 정전기력일 수도 있고, 전자를 공유함으로써 발생할 수도 있습니다.

결합 구조 내의 결함은 구멍, 엑시톤, 빈자리, 불순물 등 다양한 형태로 나타날 수 있습니다. 엑시톤은 단순히 여기된 상태에 머물러 있는 전자에 불과합니다. 

컬러 센터는 결합 구조가 변형된 물질 내의 국소적인 지점으로 존재합니다. 컬러 센터의 형성은 물질의 몰 굴절률 변화를 초래합니다. 그러나 다이아몬드의 경우, 이러한 컬러 센터는 양자 응용에 유용합니다. 

더 중요한 것은, 과학계가 지난 몇 년간 향상된 광학적 특성 때문에 컬러 센터를 조사해 왔다는 점입니다. 그들은 질소-공백(NV) 센터가 저온에서 실온까지 유리한 스핀 코히런스 시간을 가진 높은 스핀 기본 상태 때문에 특히 유용하다는 것을 발견했습니다. 

최근 뉴욕 시티 컬리지(CCNY)의 물리학자들은 다이아몬드의 데이터 저장 용량을 강화하고 확장할 수 있는 기술을 고안했습니다. 

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광학 데이터 저장 혁신: 다이아몬드의 컬러 센터와 과학적 돌파구

‘회절 한계 이하 가역 광학 데이터 저장’이라는 제목의 이 연구는 스펙트럼 영역에서 저장을 다중화하는 기술에 초점을 맞추고 있습니다. 이는 다이아몬드 내 동일한 위치에 여러 이미지를 저장할 가능성을 의미합니다. 약간 다른 색상의 레이저만 사용하면 됩니다. 결과적으로 동일한 미세한 점을 공유하는 서로 다른 원자에 다양한 정보를 저장할 수 있게 됩니다. 

CCNY의 박사후 연구원인 Tom Delord에 따르면, 이 방법은 ‘고용량 저장’이 필요한 ‘컴퓨팅 응용 분야’에 적용될 수 있다고 합니다.

지금까지의 성과를 이루기 위해 CCNY 과학자들은 컬러 센터의 전하를 제어해야 했습니다. 이를 위해 좁은 파장의 레이저와 극저온 환경을 매우 정밀하게 활용했습니다. 여기서 언급할 가치가 있는 점은, 극저온학은 극히 낮은 온도에서 물질과 그 거동을 연구하는 과학 분야라는 점입니다. 

연구자들에 따르면, 이 방법은 다음을 가능하게 했습니다:

“이전보다 훨씬 더 미세한 수준, 즉 단일 원자까지 데이터의 작은 비트를 쓰고 읽을 수 있게 되었습니다.” 

왜 이 돌파구가 중요한가?

본질적으로, 이 연구는 한정된 공간에 더 많은 데이터를 저장할 수 있는 방법을 제시합니다. 이는 오늘날 우리의 시대에 매우 중요합니다. 데이터 저장량이 매일 기하급수적으로 증가하고 있다는 사실이 이러한 개발의 긴급성을 강조합니다.

맥락상, 최신 연구에 따르면, 전 세계 디지털 데이터만 해도 64 제타바이트에 달합니다. 1 제타바이트는 1조 기가바이트와 같습니다. 놀랍게도 전 세계 데이터의 90%가 지난 2년 동안 생성되었습니다. 2025년까지 전 세계 데이터 양은 150~175 제타바이트까지 급증할 것으로 추정되며, 이 중 IoT 기기가 단독으로 90 제타바이트를 차지합니다.

이처럼 급격히 증가하는 데이터 생성량을 고려할 때, 다이아몬드 컬러 센터를 활용한 솔루션은 더 많은 데이터를 저장하면서 물리적 저장 공간을 크게 확장할 수 있습니다. 이는 다양한 분야에서 대규모 물리적 저장 공간에 대한 요구가 증가하고 있는 시점에 시의적절한 진보입니다.

예를 들어, 페이스북은 하루에 4 페타바이트의 데이터를 생성합니다. 1 페타바이트는 100만 기가바이트에 해당합니다. 이를 지원하기 위해 페이스북은 전 세계에 18개의 데이터 센터를 운영하며, 총 4천만 평방피트(약 3.7백만 제곱미터)의 공간을 차지합니다. 그러나 페이스북은 방대한 데이터 양을 다루는 거대 기술 기업 중 하나에 불과합니다. 구글 검색 엔진은 매일 35억 건의 쿼리를 처리하고, WhatsApp 사용자는 하루에 650억 건 이상의 메시지를 주고받으며, 전 세계 인터넷 사용자는 매일 거의 2.5 퀸틸리언 바이트의 데이터를 생성합니다. 이는 저장, 저장, 그리고 더 많은 저장에 대한 끊임없는 수요를 강조합니다.

의심할 여지 없이, 다이아몬드 컬러 센터를 활용한 CCNY의 연구는 규모가 확대될 경우 게임 체인저가 될 것입니다.

다이아몬드의 게르마늄-공백 단일 컬러 센터에 대한 과거 연구

이와 유사한 연구가 이전에도 다이아몬드 컬러 센터를 대상으로 수행되었습니다. 예를 들어, 2015년에 발표된 연구는 다이아몬드의 원자 규모 형광 결함을 양자 암호화 및 양자 정보 처리에 유망한 고체 상태 플랫폼으로 이해하는 데 도움을 주었으며, 이후 연구들의 기초 단계 역할을 했습니다.

이 연구는 고강도 및 재현 가능한 제작 방법을 이용한 단일 광자 소스의 활용 가능성을 시험했습니다. 연구진은 다이아몬드 내에 게르마늄과 공백으로 구성된 새로운 컬러 센터를 발견했으며, 이를 GeV 센터라고 명명했습니다.

또 다른 연구는 2022년에 사가 대학과 Adamant Namiki Precision Jewelry 연구진에 의해 수행되었으며, 5cm 직경의 초고순도 다이아몬드 웨이퍼를 제조하는 새로운 방법을 개발했습니다.

이 웨이퍼들의 데이터 밀도로는 10억 개의 블루레이 디스크에 해당하는 데이터를 저장할 수 있습니다. 일반적인 블루레이 디스크는 최대 25GB를 저장하므로, 10억 개의 블루레이 디스크는 무려 25 엑사바이트에 해당합니다. 이 성과를 달성하기 위해 연구진은 질소-공백 센터를 이용해 데이터를 초전도 양자 비트(qubit) 형태로 저장했습니다.

Adamant Namiki Precision Jewelry 또는 Orbray에 대한 추가 정보

Adamant Namiki Precision Jewelry는 2023년 1월 1일부로 이름을 Orbray Co., Ltd.로 변경했습니다. 이 회사는 정밀 주얼리, 광섬유 부품, 소형 모터 등 다양한 제품군을 보유하고 있습니다. 적용 분야로는 정보통신, 반도체, 산업 기계, 로봇, 자동차, 광구동 장치, 오디오 제작 등 다방면에 걸쳐 있습니다.

1939년에 설립되어 일본 도쿄에 본사를 둔 Orbray는 비상장 기업입니다.

다이아몬드 웨이퍼 기술에 종사하는 기업들

Orbray가 저장용 다이아몬드 웨이퍼 제조로 알려져 있는 반면, 이와 유사한 저장 솔루션을 개발한 기업은 몇 안 됩니다. 그러나 많은 기업이 다양한 용도의 다이아몬드 웨이퍼를 생산하고 있으며, 이들 역시 향후 저장 솔루션으로 확장할 가능성이 있습니다.

#1. Stanford Advanced Materials

다이아몬드 웨이퍼 제조로 유명한 또 다른 기업은 Stanford Advanced Materials입니다. 이들은 고급 광학 및 열 특성을 갖춘 CVD 다이아몬드 웨이퍼 제품을 제공하며, 뛰어난 물리·화학적 특성을 자랑합니다. 특히 UV부터 THz까지 거의 연속적인 광 투과 대역을 가지고 있어 X-레이, 자외선, 적외선, 마이크로파 등 다양한 파장대와 호환됩니다.

CVD 다이아몬드 웨이퍼는 일반 광학 재료에서는 거의 달성하기 어려운 다양한 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 고에너지 입력, 낮은 유전 손실, 높은 라만 이득, 낮은 빔 왜곡, 침식 저항 등에서 중요한 역할을 수행할 수 있습니다.

Stanford의 CVD 다이아몬드 웨이퍼는 항공우주, 군사 등 다양한 산업에 활용됩니다. 특히 고전력·고주파·소형·고집적 전자 부품에서 열 관리 효율이 뛰어납니다.

미국 캘리포니아주 레이크 포레스트에 본사를 둔 Stanford Advanced Materials는 1994년부터 운영되어 왔으며, 비상장 기업입니다.

#2. AKHAN Semiconductors

다이아몬드 웨이퍼 제조에서 뛰어난 성과를 보이고 있는 또 다른 반도체 기업은 Akhan Semiconductors입니다. 2021년에 최초의 300mm CMOS 다이아몬드 웨이퍼를 제조했으며, 이 기술은 전력 처리, 열 관리, 전자 내구성을 향상시키기 위해 개발되었습니다. 그러나 다양한 산업 및 제조 공정에도 적용됩니다. Akhan Semiconductor의 CEO인 Adam Khan에 따르면, Akhan’s diamond wafers는 보다 강력하고 내구성 있는 장치를 만드는 데 도움이 될 것입니다.

미국 일리노이주에 본사를 둔 Akhan Semiconductor는 2012년에 설립된 비상장 기업입니다. 최신 보도에 따르면, 이 회사는 2022년 2월 17일에 2천만 달러의 자금을 유치했습니다.

기타 데이터 저장 솔루션

다이아몬드 컬러 센터를 탐구하는 것이 확실히 데이터 저장 분야의 혁신이지만, 아직 대규모 적용 단계에 이르지는 못했습니다.

새롭고 향상된 데이터 저장 기술을 지속적으로 실험하는 기술 대기업인 Intel (INTC ) 은 다양한 혁신적인 저장 기술을 보유하고 있습니다.

#1. Intel Storage Technologies 

예를 들어, Optane Technology는 데이터 센터 저장 병목 현상을 해소하여 사용자가 더 크고 저렴한 데이터 세트를 다룰 수 있게 합니다. 또한 3D NAND 기술 제품은 용량과 신뢰성으로 유명하며, EDSFF SSD 솔루션은 낮은 비용으로 향상된 용량을 달성하도록 돕습니다.