국내 연구진, '저장 용량 10배' 차세대 반도체 소재 기술 개발

한국과학기술연구원 최준우 박사팀, 반데르발스 자성체 특성 확인

[아시아경제 김봉수 기자] 기존 실리콘 반도체보다 저장 용량10배 이상 큰 차세대 반도체 소재 기술이 국내 연구진에 의해서 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 스핀융합연구단 최준우 박사팀이 반데르발스 자성체가 정보를 저장할 수 있는 안정성을 나타내는 '교환 바이어스' 특성이 일반 자성체보다 10배 이상 크고, 근본적으로 다른 물성을 가짐을 규명하는 데 성공했다고 4일 밝혔다.

반데르발스(van der Waals) 자성체란 물질의 층과 층 사이가 결합력이 약한 '반데르발스' 결합으로 이루어진 자성체를 말한다. 3차원의 입체 구조를 갖는 일반 물질과는 달리 층간 결합력이 약해 단일 원자층으로 쉽게 분리시켜 평면 형태로도 만들 수 있어 2차원 물질이라고도 불린다. 2017년 반데르발스 물질 중 외부의 자성을 유지하려는 특성인 강자성을 나타내는 물질들이 새로이 발견됐고 이를 활용해 자성의 스핀 방향을 정보로 저장하는 차세대 스핀 반도체 연구가 활발히 진행되고 있다.

문제는 반데르발스 자성체들이 철, 코발트 등의 기존 자성체와 비교해 원자층 단위로 분리된다는 구조적 특성 외에 눈에 띄게 다른 자성 특성을 보이지 않고 있다는 것이었다.

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

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

최준우 박사는 "본 연구결과를 토대로 향후 반데르발스 자성체와 다른 성질의 반데르발스 물질들의 접합구조를 활용해 우수한 성능을 가진 스핀 반도체 신소재 개발이 가능해질 것으로 기대된다"고 말했다. 최근들어 ㅊ 세계 반도체 기업과 연구소는 양산되고 있는 실리콘 반도체의 효율 향상에 한계를 느끼고, 이를 뛰어넘을 수 있는 스핀 메모리를 주목하고 있다.

이번 연구는 나노과학 분야의 국제 저널인 'Nano Letters' 최신 호에 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr