대표적 기록 장치인 하드디스크드라이버는 저장된 정보를 읽고 쓰기 위해서 디스크를 회전시킨다. 하지만 이런 물리적인 운동이 내장된 장비는 진동에 약하여 휴대용 기기에 활용하기에 안정성이 떨어지며 상대적으로 많은 에너지를 필요로 해 에너지 효율 면에서도 떨어진다. 이 문제들을 해결하기 위해 디스크의 회전 운동 대신 디스크의 자화 상태를 이동시키는 것으로 대체하자는 연구가 활발히 이루어지고 있다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 직무대행 박현민) 나노측정센터 문경웅 박사는 위상학적 자화상태인 스커미온을 교류자기장을 이용하여 이동시키는 새로운 방법을 제시하였다. 이 연구결과는 전류를 통해 스커미온을 이동 시키는 기존 방법의 단점을 보완할 것으로 예상된다.  

이번 연구는 미래부 글로벌프런티어 사업의 하나인 파동에너지 극한제어연구단이 지원했으며 연구 결과는 네이처의 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 2월 5일 게재됐다.

스커미온(skyrmion)은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀들의 구조체로 안정적인 메모리 단위로 주목 받아왔다. 자성을 이용한 메모리의 저장 능력과 속도는 소자의 크기와 이동 속도에 따라 결정되는데 스커미온은 크기가 매우 작고 이동 속도가 빨라 스커미온의 배열 상태를 디지털 신호화하면 초고밀도·고속력의 메모리 소자 개발이 가능하다.

기존에 스커미온을 이동 시키는 방법은 전류에 의해서만 가능한 것으로 알려졌다. 이 방법은 흐르는 전자들에 의해 자화상태가 한쪽 방향으로 휩쓸려가는 현상을 이용하는 것으로 전류가 흐르는 국소적인 영역의 자화상태가 이동한다. 전류에 의한 방법은 집중된 전류로 인하여 열이 발생하여 시료의 자화상태가 바뀔 수 있다는 문제점이 있었다.

이에 문경웅 박사팀은 2014년부터 이어온 연구를 통해 교류 자기장에 의해서도 스커미온이 이동함을 밝혀냈다. 특히 이번 연구에서는 과거보다 훨씬 작은 수준인 수십 나노미터 크기의 스커미온 상태가 교류자기장에 의해 이동하는 기본 원리를 제시하였다.

작은 크기의 스커미온은 향후 소자의 집적도를 향상시키는데 필수적이므로 반드시 필요한 연구다.

교류 자기장을 이용한 방법은 외부전자석에 의해 공간상 균일하게 발생한 자기장을 시간에 따라 진동시켜 스커미온을 이동시킨다. 이 방법은 시료의 열 손상을 막고 시료 전체에 존재하는 스커미온들을 동시에 이동시킬 수 있다는 점에서 대면적에서 유용하게 적용 될 수 있다.

문경웅 박사는 “이번 연구결과는 차세대 저장장치로 기대되는 스핀트로닉스 메모리 개발에 획기적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 기존의 전류에 의한 일차원적인 자화상태의 이동방법을 교류자기장을 사용하여 이차원으로 확장했다는 점에서 대용량 정보처리가 가능한 스핀메모리에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.“고 말했다.