'전자 스핀' 활용하는 차세대 메모리, 원자 구조 조절해 효율 개선

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국내 연구팀이 원자 구조를 미세하게 조절해 차세대 고효율 메모리 소재의 문제를 해결했다.

포스텍은 이대수 물리학과 교수팀과 최시영 신소재공학과 교수팀이 메모리 소재로 쓰이는 산화물의 원자 격자 구조를 조절해 스핀-궤도 토크(SOT)에 의한 자화 전환을 효율적으로 구현하는 데 성공하고 연구결과를 지난달 29일 국제학술지 '나노 레터스'에 공개했다고 24일 밝혔다.

스핀-궤도 토크(SOT, spin-orbit torque)는 전자의 스핀(자기적 성질)과 운동(전기적 성질) 사이 상호작용으로 발생하는 현상이다. 전류가 흐를 때 스핀의 움직임을 통해 자기 상태를 제어하면 이를 정보 저장에 활용할 수 있다. 전원이 없어도 정보가 사라지지 않는 비휘발성 고효율 메모리를 만들 수 있어 최근 반도체와 금속 등 다양한 소재를 활용한 SOT 연구가 활발하다.

SOT를 구현하기 위해서 자성과 스핀 홀 효과가 동시에 나타나는 소재를 찾아야 한다. 홀 효과는 전류가 흐르는 방향에 수직으로 자기장을 가하면 전하가 휘면서 전류와 자기장에 모두 수직한 방향으로 전압이 걸리는 현상을 말한다. 이와 비슷하게 스핀 홀 효과는 전기장에 수직한 방향으로 스핀의 흐름인 '스핀 전류'가 흐르는 현상이다. 기존 소재에서는 단일층 내에서 발생한 서로 반대 방향의 스핀 전류가 상쇄돼 사라지는 것이 해결 과제였다.

연구팀은 자성과 스핀 홀 효과가 동시에 나타나 SOT 연구에서 많이 사용되는 산화물인 루테륨산 스트론튬(SrRuO3)의 구조를 비대칭으로 바꿔 문제를 해결했다. SrRuO3의 위아래 원자 격자 구조를 미세하게 조절해 상하층 사이에 서로 다른 스핀 홀 효과를 내도록 한 것이다. 비대칭 표면 구조로 스핀 홀 효과에 불균형이 생기자 특정 방향으로 자기적인 성질을 제어할 수 있게 됐다.

비대칭 SrRuO3을 기반으로 만든 소자에서는 전류만으로 자기장 방향을 바꿔 데이터를 읽고 쓸 수 있었다. 연구팀이 만든 메모리 소자는 지금까지 알려진 같은 방식의 시스템과 비교해 효율이 최대 130배 높고 전력 소비는 최대 30배 적었다. 연구팀은 "SrRuO3의 기존 물성은 유지하면서 자기장 없이도 자화 전환(switching)에 성공한 것"이라고 설명했다.

이대수 교수는 "비대칭 SrRuO3는 강자성과 스핀 홀 효과 간 상호작용을 연구할 수 있는 중요 플랫폼"이라며 "후속 연구를 통해 새로운 SOT 메커니즘을 발견하고 고효율 소재를 구현하겠다"고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01788

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]