▲ 최경민 한국과학기술연구원 스핀융합연구단 박사 .

차세대 메모리로 주목받고 있는 스핀트로닉스 메모리 소자를 전력 소모 없이 나노 자석 양 끝의 온도 차이로만으로 구동시키는 기술이 국내외 과학자들의 공동연구로 개발됐다.

이번 연구는 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단의 최경민 박사가 주저자 및 교신저자로 참여하고, KIST 민병철 박사, 고려대 이경진 교수, 일리노이주립대 David G. Cahill 교수 등 국제 공동 연구진이 수행했다.

전자가 스스로 회전하는 ‘스핀’운동을 이용해 수 나노미터의 크기의 나노 자석에 정보를 저장하는 것이 스핀트로닉스 메모리 기술이다.

‘스핀’운동이 일정한 방향으로 정렬돼 흐르면 스핀전류가 발생하는데 이를 이용하면 나노자석에 정보를 기록해 메모리로 작동시킬 수 있다.

이런 ‘스핀트로닉스 메모리’는 기존 D램 등의 반도체에 비해 전력을 공급하지 않아도 정보가 지워지지 않으며 용량이 큰 정보의 저장이 가능해 차세대 메모리로 각광받고 있다.

하지만, 기존 스핀트로닉스 메모리에서는 정보를 기록할 때 비교적 큰 전류가 필요한 것이 단점으로 지적됐다.

이에 연구진은 외부 전력공급 없이 나노 자석 양쪽 끝의 온도 차이만을 이용해 스핀 메모리 소자에 정보를 기록할 수 있어 스핀 메모리 소자의 에너지 손실을 획기적으로 개선할 수 있다.

금속이나 반도체에서 외부에 전지를 연결하지 않아도 양쪽 끝의 온도를 서로 다르게 유지하면 온도차이에 의한 전압이 발생해 전류가 흐르게 되는데, 이와 유사하게 자석의 양쪽 끝의 온도를 서로 다르게 유지하면 온도 차이에 의해서 자석 안에 스핀 전류가 흐르게 된다.

서로 다른 스핀을 가진 전자들이 각각 반대방향으로 움직일 경우, 스핀 전류는 흐르지만 실제 전류는 전혀 흐르지 않을 수 있다.

이러한 방법으로 전하에 의한 전류는 전혀 흐르지 않는 상태에서 스핀 전류만을 이용해 스핀 메모리 소자를 동작시키기 때문에 기존 기술에 비해 에너지 손실이 줄어든다.

이렇게 스핀 열전 효과를 이용하여 스핀트로닉스 소자를 동작시키는 것은 그동안 전 세계적으로도 성공하기 어려웠던 것으로 이번 연구결과로 스핀을 이용한 저전력 메모리 소자 및 통신 소자 개발에 한걸음 더 다가섰다는 평가이다.

한편, 이연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 미래융합기술파이오니어사업 및 중견연구자지원사업, 그리고 한국과학기술연구원의 기관고유사업 및 KU-KIST 융합대학원 프로그램의 지원으로 수행되었다.

▲ 고속 레이저를 이용해 왼쪽에 위치한 자석 (FM1)에 온도 차이를 만들고, 스핀의존 제백 효과에 의해 스핀 전류 (Js)를 발생시켰다. 이 스핀전류가 오른쪽에 위치한 자석 (FM2)으로 흐르면서 나노 자석의 N극·S극의 방향을 회전시킬 수 있었다..