차세대 메모리 '스핀 반도체' 소재 특성 규명..성능향상 기대

2차원 소재인 반데르발스 자성체만의 자성 특성 발견

최준우 한국과학기술연구원 박사팀이 개발한 반데르발스 자성체를 활용한 스핀소자의 모습 (한국과학기술연구원 제공) 2021.04.02 /뉴스1

(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 전자의 스핀을 이용해 정보를 처리하는 스핀 메모리는 현행 실리콘 반도체 효율 한계를 넘을 후보로 주목받고 있다. 국내 연구진이 스핀 메모리의 소재 후보로 주목받고 있는 반데르발스 자성체의 정보저장 안정성이 다른 소재보다 10배 이상 높다는 연구 결과를 발표했다.

한국과학기술연구원은 스핀융합연구단 최준우 박사팀이 반데르발스 자성체가 정보를 저장할 수 있는 안정성을 나타내는 교환 바이어스(Exchange Bias) 특성이 일반 자성체보다 10배 이상 크고, 근본적으로 다른 물성을 가짐을 규명했다고 4일 밝혔다.

반데르발스(van der Waals) 자성체란 물질의 층과 층 사이가 결합력이 약한 '반데르발스' 결합으로 이루어진 자성체다. 3차원의 입체 구조를 갖는 일반 물질과는 달리 층과 층 사이의 결합력이 약해 단일 원자층으로 쉽게 분리시킬 수 있어 평면 형태로도 만들 수 있다.

반데르발스 물질 중 외부의 자성을 유지하려는 특성인 강자성을 나타내는 물질들이 2017년 새로이 발견됐다. 이를 활용하여 자성의 스핀 방향을 정보로 저장하는 차세대 스핀 반도체 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 활발한 연구에도 불구하고 반데르발스 자성체들은 철, 코발트 등의 기존 자성체와 비교해 원자층 단위로 분리된다는 구조적 특성 외에 눈에 띄게 다른 자성 특성을 발견하지는 못했었다.

최준우 박사 연구팀은 대표적 반데르발스 자성체인 'Fe3GeTe2'의 특성을 분석한 결과 두께가 두꺼워 짐에 따라 교환 바이어스의 크기가 약해지는 기존 자성체들과는 달리 두께에 영향을 거의 받지 않으며, 그 교환 바이어스의 크기(정보저장 안정성)가 10배 이상 클 수 있음을 찾아냈다. 또한, 이러한 특이한 자성 특성이 반데르발스 물질이 갖는 내재적 성질인 약한 층간 상호작용 때문인 것을 밝혔다.

반데르발스 자성체와 일반적인 자성체에서 나타나는 두께에 따른 교환 바이어스 크기 변화. 일반적인 자성체에서는 교환 바이어스가 두께에 반비례하여 급격히 감소하는 반면, 반데르발스 자성체에서는 두께 의존성이 작아서, 교환 바이어스가 훨씬 크다 (한국과학기술연구원 제공) 2021.04.02 /뉴스1

교환 바이어스는 2018년부터 양산되고 있는 차세대 스핀 메모리의 핵심 동작 원리로, 스핀 정보의 안정적인 저장에 결정적 역할을 한다. 따라서 이번 연구 결과는 큰 교환 바이어스를 갖는 반데르발스 자성체를 활용해 차세대 스핀 메모리의 정보 저장 안정성을 크게 향상시킬 수 있음을 시사한다.

최준우 박사는 "본 연구 결과를 토대로 향후 반데르발스 자성체와 다른 성질의 반데르발스 물질들의 접합구조를 활용해 우수한 성능을 가진 스핀 반도체 신소재 개발이 가능해질 것으로 기대된다"라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KIST 주요사업 및 창의형융합연구사업, 선도연구센터지원사업으로 지원으로 수행됐다. 권형근 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 나노과학 분야의 국제 저널인 나노 레터스(Nano Letters)에 게재됐다.

seungjun241@news1.kr