포스텍(POSTECH) 연구팀이 아주 작은 부분만 변경해 차세대 D램 메모리 분야에서 뜨거운 감자로 떠오르고 있는 '스핀-궤도 토크(SOT)' 소재를 개발했다.
포스텍은 이대수 물리학과 교수·통합과정 조용주 씨, 최시영 신소재공학과 교수 연구팀이 복합 산화물의 원자 수준 제어를 통해 고효율 자유장 SOT 자화 전환에 성공했다고 24일 밝혔다.
전자의 스핀(자기적 성질)과 운동(전기적 성질) 간의 상호작용으로 발생하는 SOT는 전류가 흐를 때 스핀의 움직임을 통해 자기 상태를 제어하는 현상이다. 전기가 아닌 자기 정보를 이용하면 메모리의 전력 소모를 줄이고, 전원이 꺼져도 정보가 보존되는 비휘발성 메모리 연구에 유리해 최근 반도체와 금속 등 다양한 소재를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 자성과 '스핀 홀 효과'를 동시에 나타내는 소재를 찾고, SOT에 의한 효율적 자화 전환 연구가 큰 주목을 받고 있지만, 단일층 내에서 발생한 서로 반대 방향의 스핀 전류가 상쇄되어 사라지는 문제가 있었다.
연구팀은 소재의 아주 작고 사소한 물질 구조를 체계적으로 바꿔 문제를 해결했다. 루테륨산 스트론튬은 자성과 스핀 홀 효과가 동시에 나타나는 복합 산화물로 SOT 연구에서 많이 사용되고 있다.
연구팀은 이 복합 산화물의 위쪽과 아래쪽 표면층의 원자 격자 구조를 미세하게 조절해 상하층 간 서로 다른 스핀 홀 효과를 내는 루테륨산 스트론튬을 합성했다. 전략적으로 설계된 비대칭 표면 구조로 스핀 홀 효과의 불균형을 만듦으로써 특정 방향으로 자기적인 효과를 제어할 수 있게 된 것이다.
이를 바탕으로 연구팀은 자기장 없이 효율적 자화 전환에 성공했다. 루테륨산 스트론튬을 기반으로 한 소자에서 SOT를 구현해 전류만으로 자기 도메인 방향을 바꿔 데이터를 쓰고 읽을 수 있게 된 것이다.
연구팀의 메모리 소자는 지금까지 알려진 단일층-자유장 시스템 중에서 최고의 효율(2~130배)과 최소 전력 소비(2~30배)를 기록했다. 기존 연구에서 사용되던 루테륨산 스트론튬의 기존 물성은 유지하면서도, 자기장 없이 자화 전환에 성공한 것이다.
이대수 교수는 “연구팀이 합성한 비대칭 루테륨산 스트론튬은 강자성과 스핀 홀 효과 간 상호작용을 연구하는 중요한 플랫폼”이라며 “후속 연구를 통해 새로운 SOT 메커니즘을 발견하고, 고효율 상온 단일 상 SOT 소재를 구현하겠다”고 말했다.
삼성미래기술육성사업, 한국연구재단 중견연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 나노 과학과 나노 기술 분야 국제 학술지인 '나노 레터스(Nano Letters)'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
