KIST(한국과학기술연구원·원장직무대행 윤석진)는 이기영 차세대반도체연구소 스핀융합연구단 박사팀이 손지원 에너지소재연구단장 연구팀과의 협업을 통해 새로운 물질인 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아·yttria-stabilized zirconia)을 활용해 수소이온을 주입한 초저전력 고속 자성메모리 소자 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

인공지능·5G 모바일 기술의 발전으로 막대한 양의 데이터로 인해 반도체 메모리 소자의 고집적화와 전력 소모가 기하급수적으로 늘어나고 있다. 최근 이러한 문제를 해결하기 위해 차세대 비휘발성 메모리인 자성메모리 기술이 큰 주목을 받고 있다. 자성메모리는 자료 처리 속도가 빠른 DRAM과 전원이 꺼져도 자료가 지워지지 않는 플래시 메모리의 장점을 동시에 갖고 있다.

전류를 기반으로 하는 기존 메모리와 달리 자성메모리는 전자의 회전(스핀)에 의한 자성(磁性)을 활용한다. 전자는 특정한 방향으로 회전하는 성질이 있는데, 이를 스핀이라고 하며 물질에 자기장을 가해주면 스핀의 방향을 정렬할 수 있다. 자성메모리는 스핀의 정렬된 방향에 따라 정보를 저장하는데 방향을 바꿀 때 필요한 전력이 크다는 한계가 있다.

자성메모리 반도체 소자에 수소이온을 주입하면 적은 전력으로도 스핀의 정렬 방향을 쉽게 바꿀 수 있다. 하지만 이러한 방식은 전력 소비 효율이 매우 큰 장점이 있지만, 속도가 느리다는 단점을 지니고 있다. 

공동연구팀은 세라믹 연료전지(SOFC) 분야에 전해질로 사용되는 높은 이온전도도를 가진 물질인 YSZ를 자성 소자에 접목, 수소 이온을 주입했다. 이를 통해 수소 이온 이동의 효과를 극대화해 높은 효율을 유지하면서 스핀의 정렬 방향 전환 속도가 기존 대비 100배 향상된 소자를 만드는 데 성공했다.

본 연구를 주도한 이기영 박사는 "연료전지분야에서 활용되는 재료를 자성메모리에 적용한 것은 종합연구소인 KIST의 장점을 매우 잘 활용한 융합연구성과로 볼 수 있다"며 "자성메모리 기술은 현재 기존 시장 구도에서도 기존 메모리를 대체하는 방식으로 상용화가 가능할 뿐만 아니라, 차세대 비휘발성 메모리 소자 중 가장 특성이 우수한 메모리로서 사업화 가능성이 매우 크다"고 말했다.

본 연구는 과기부 지원으로 KIST 주요사업과 창의형 융합연구사업 등으로 수행됐으며, 나노기술 분야 저명 국제 학술지인 'Nano Letters(IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%)' 최신 호에 게재됐다.