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전기 대신 열로 스핀전류 생성···새로운 소재기술 개발

박병국 KAIST 교수 연구팀, 열로 스핀전류 생성하는 소재기술 연구
웨어러블, 모바일 등 최신 전자기기는 낮은 전력으로 작동할 수 있어야 한다. 기존 메모리의 전력 소모를 낮출 수 있는 자성메모리 기술이 나왔다.

과학기술정보통신부(장관 유영민)는 박병국 KAIST 교수 연구팀이 자성메모리(MRAM)의 새로운 동작 원리인 열로 스핀전류를 생성하는 소재기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

일반적인 전류는 전자가 가지고 있는 전하(charge)의 흐름을 의미한다. 스핀전류는 전자의 고유한 특성인 스핀(spin)이 이동하는 현상이다. 이 스핀전류는 전하의 실제적인 이동없이 발생할 수 있어 주울열(Joule heating)로 인한 전력손실이 발생하지 않는다.

자성메모리는 실리콘 기반의 기존 반도체 메모리와 달리 얇은 자성 박막으로 만들어진 비휘발성 메모리 소자다. 

외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 집적도가 높다. 또 고속 동작이 가능하다는 장점이 있어 차세대 메모리로 개발되고 있다. 

자성메모리는 자성소재에 스핀전류를 주어 자성의 방향을 제어하는 방식으로 동작이 이뤄진다.이때, 기존 자성메모리는 스핀전류를 전기로 생성하는데, 이번 연구에서 열로 스핀전류를 발생시키는 소재기술을 개발했다.

열에 의해 스핀전류가 생성되는 현상인 스핀너런스트 효과(Spin Nernst Effect)는 이론적으로만 발표된 바 있다.  

연구진은 스핀궤도결합이 큰 텅스텐과 백금 소재를 활용하고 스핀너른스트 자기저항 측정방식을 도입했다. 실험 결과, 스핀너른스트 효과를 규명하고, 열에 의한 스핀전류 생성효율이 기존의 전기에 의한 스핀전류의 생성효율과 유사하다는 사실을 알아냈다. 

박병국 교수는 "이번 연구는 열에 의한 스핀전류 생성이라는 새로운 물리현상을 실험적으로 규명했다는 점에서 의미가 있다"면서 "앞으로 추가 연구를 통해 자성메모리의 새로운 동작방식을 개발할 계획"이라고 말했다. 

이번 연구는 과기부 미래소재디스커버리 사업의 지원을 받아 박병국 KAIST 교수, 이경진 고려대 교수, 정종율 충남대 교수가 공동으로 수행했다. 연구 결과는 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 지난 9일자로 게재됐다. 

스핀너른스트 현상을 이용한 열인가 자성메모리의 개략도.<자료=과학기술정보통신부 제공>스핀너른스트 현상을 이용한 열인가 자성메모리의 개략도.<자료=과학기술정보통신부 제공>
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