전력 66분의 1…온도만으로 데이터 저장하는 메모리 기술 개발

온도 변화로 정보를 저장하고 온도가 떨어져도 저장 정보를 유지하는 메모리 기술이 개발됐다. 게티이미지뱅크 제공.

전기를 거의 쓰지 않고 정보를 저장·유지하는 메모리 기술이 개발됐다. 기존 방식보다 최대 66배 적은 에너지로 작동해 AI 시대 초저전력 메모리의 실현 가능성을 열었다는 평가다.

포스텍은 진현규 기계공학과 교수팀이 정종율 충남대 신소재공학과 교수팀과 함께 온도 변화만으로 전자 스핀 방향을 제어·유지하는 저전력 정보 저장 기술을 개발했다고 21일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 지난 2월 15일 게재됐다.

인공지능(AI) 기술은 적은 전력으로 빠르게 데이터를 처리하는 효율성이 핵심이다. 이 때문에 '스픽트로닉스'가 차세대 소자 기술로 주목받는다. 스핀트로닉스는 전자를 직접 이동시키는 대신 전자의 회전 방향(스핀)으로 정보를 저장하는 기술이다. 전자가 이동하지 않으므로 열·에너지 손실이 기존 반도체보다 적어 효율이 높다.

 

다만 스핀 방향을 바꾸려면 강한 전류가 필요하다는 문제가 있었다. 전류 대신 온도 변화로 스핀을 제어하려 해도 온도가 내려가면 스핀 방향도 원래대로 돌아가 정보를 유지하기 어려웠다.

연구팀은 '열 이력 현상'을 활용해 적은 전기로 스핀 방향을 바꾸고 유지하는 데 성공했다. 열 이력이란 온도를 높였다가 낮춰도 물질이 높은 온도를 일정 시간 유지하는 현상이다. 

연구팀은 두 종류의 희토류 철 가넷을 층층이 쌓아 이중층 구조를 만들었다. 두 물질은 온도에 따라 스핀 방향이 서로 다르게 변하며 자석처럼 작용한다. 자석의 S극과 N극처럼 특정 온도 구간에서 두 층의 스핀 방향이 반대일 때 가장 안정적으로 강하게 결합한다.

 

연구팀은 두 층 사이의 강한 결합력과 각 물질 고유의 자기 방향성을 결합해 '쌍안정성'을 구현했다. 쌍안정성은 하나의 시스템이 두 가지 안정 상태를 유지하는 성질로 한 번 특정 스핀 방향으로 전환되면 온도가 다소 변해도 쉽게 바뀌지 않는다. 덕분에 정보를 오래 보존하는 '비휘발성'을 확보했다.

 

연구팀은 약 25도 온도 변화와 약한 자기장만으로 스핀 방향을 안정적으로 전환했다. 기존에 전류로 자석 방향을 바꾸는 방식보다 최대 66배 적은 에너지를 소비했으며 조건에 따라 최대 452배까지 에너지를 절감할 수 있다고 분석했다.

진현규 교수는 "온도 변화만으로 스핀 방향을 제어·유지할 수 있음을 입증했다"며 "AI 시대가 요구하는 초저전력 메모리 소자 개발에 중요한 전환점이 될 것"이라고 밝혔다.

<참고 자료>
doi.org/10.1002/adfm.202527195

김준석 석박통합과정생(왼쪽부터), 진현규 교수, 정종율 충남대 교수, 카오반푸억 충남대 박사. 포스텍 제공.

[조가현 기자,문혜원 인턴기자 gahyun@donga.com,moony@donga.com]