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전기 대신 열로 스핀전류 생성 가능한 소재기술 개발

국내 연구진, 자성메모리의 새로운 패러다임 제시

[산업일보]
현재 사용되는 반도체 구조에서는 논리소자와 메모리소자가 공간적으로 단절돼 있기 때문에 소자 간의 긴 신호지연이 불가피하다. 또한 비휘발성 메모리인 SRAM과 DRAM의 사용은 정보유지를 위한 지속적인 전력 공급으로 인해 높은 전력소모의 문제점을 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 비휘발성이면서 고속동작이 가능한 자성메모리가 개발되고 있다.

자성메모리는 자성물질의 자화방향에 정보를 기록하기 때문에 자화방향을 제어하는 것이 소자의 동작원리이다. 기존 자성메모리에 사용되는 기술은 전기를 인가해 생성되는 스핀전류를 이용해 자화방향을 제어하는 스핀전달토크 또는 스핀궤도토크 이다. 이러한 방식은 전기 인가에 따른 에너지소모가 큰 단점이 있어, 이를 극복하기 위한 해결방안이 필요하다.

최근 물질내의 온도구배에 의해서 스핀전류가 생성되는 현상, 즉 스핀너런스트 효과가 이론적으로 발표됐고, 이러한 새로운 스핀전류 생성 소재기술의 개발은 자성메모리를 비롯해 다양한 스핀트로닉스 소자에 응용될 것으로 예상됐다. 하지만 스핀너런스트 효과는 물질 내에 온도구배를 인가하는 기술 및 열인가에 따른 스핀전류 측정 기술의 한계로 최근까지 실험적으로 증명되지 않았다.

스핀궤도결합이 큰 중금속 소재에 전기를 인가하면 스핀전류가 발생하는데, 이를 스핀홀 효과라고 부른다. 이렇게 전기적으로 발생하는 스핀전류는 중금속/강자성 이종접합구조의 자기저항, 즉 스핀홀 자기저항을 발생시킨다.
전기 대신 열로 스핀전류 생성 가능한 소재기술 개발
스핀너른스트 현상을 이용한 열인가 자성메모리의 개략도. 자성메모리에 온도구배에 의해서 생성되는 스핀전류로 정보를 기록하는 새로운 개념의 자성메모리 동작방식

박병국 교수(한국과학기술원) 연구팀이 자성메모리(MRAM)의 새로운 동작 원리인 열로 스핀전류를 생성하는 소재기술을 개발하는 데 성공했다.

과학기술정보통신부(이하 ‘과기정통부’)에 따르면 이 연구는 이경진 교수(고려대), 정종율 교수(충남대)와 공동으로 수행했다.

자성메모리는 실리콘 기반의 기존 반도체 메모리와 달리 얇은 자성 박막으로 만들어진 비휘발성 메모리 소자다.

외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 집적도가 높고 고속 동작이 가능한 장점이 있어, 차세대 메모리로 개발되고 있다.

자성메모리의 동작은 자성소재에 스핀전류를 주어 자성의 방향을 제어하는 방식으로 이루어진다. 이때, 기존 자성메모리는 스핀전류를 전기로 생성하는데, 이번 연구에서 열로 스핀전류를 발생시키는 소재기술을 개발했다.
그동안 열에 의해 스핀전류가 생성되는 현상, 즉 스핀너런스트 효과(Spin Nernst Effect)가 이론적으로는 발표됐으나, 최근까지 기술적 한계로 실험적으로 증명되지 못했다.

하지만 이번 연구에서 스핀궤도결합이 큰 텅스텐과 백금 소재를 활용하고 스핀너른스트 자기저항 측정방식을 도입해 스핀너른스트 효과를 실험적으로 규명했고, 열에 의한 스핀전류의 생성효율이 기존의 전기에 의한 스핀전류의 생성효율과 유사함을 밝혔다.

박병국 교수는 “이번 연구는 열에 의한 스핀전류 생성이라는 새로운 물리현상을 실험적으로 규명한 것에 의미가 크고, 추가 연구를 통해 자성메모리의 새로운 동작방식으로 개발할 예정”이라고 밝혔다.

열에 의해 동작하는 자성메모리의 개발은 전력소모를 획기적으로 낮출 수 있어 웨어러블, 모바일 및 사물인터넷 등 저전력 동작이 요구되는 전자기기의 발전에 기여할 것으로 기대된다.
변지영 기자 hinomad@kidd.co.kr

안녕하세요. 산업부 변지영 기자입니다. 드론부터 AI, 신소재, 다이캐스팅, 파스너 및 소재부품 산업을 소개해드리겠습니다. 또 신선하고 유익한 국제 산업 동향을 생생한 현장 영상으로 전달해드리겠습니다.

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