이론적으로 예측만 되어오던 열로부터 스핀전류를 생성하는 소재기술이 실제 실험으로 증명됐다.

박병국 교수(한국과학기술원) 연구팀은 자성메모리(MRAM)의 새로운 동작 원리인 열로 스핀전류를 생성하는 소재기술을 개발했다. 일반적인 전류는 전자가 가지고 있는 전하(charge)의 흐름을 말하는데, 스핀전류는 전자의 또 다른 고유특성인 스핀(spin)이 이동하는 현상이다. 이렇게 되면 전하의 실제적인 이동이 없이 나타날 수 있어 주울열(Joule heating)로 인한 전력손실로부터 자유로울 수 있다.

연구팀 이번 기술 개발이 열과 스핀 사이의 거동에 대한 물리적인 이해를 제공할 수 있어 학문적 가치가 높다고 밝혔다. 또한 다양한 스핀트로닉스 소자의 구동방식으로 사용될 수 있는 기술이다. 특히 차세대 메모리로 주목받고 있는 자성메모리 소자의 정보를 열인가로 제어할 수 있어, 저전력 메모리 개발에 있어서 원천기술을 확보했다는데 의미가 있다.

박병국 교수는 “열에 의해 동작하는 자성메모리의 개발은 전력소모를 획기적으로 낮출 수 있어 웨어러블, 모바일 및 사물인터넷 등 저전력 동작이 요구되는 전자기기의 발전에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이 연구는 이경진 교수(고려대), 정종율 교수(충남대)와 공동으로 수행한 것으로, 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 9일자에 게재되었다.
 
국내 자성재료 연구결과는 세계적인 수준

자성메모리는 실리콘 기반의 기존 반도체 메모리와 달리 얇은 자성 박막으로 만들어진 비휘발성 메모리 소자다. 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 집적도가 높고 고속 동작이 가능한 장점이 있어, 차세대 메모리로 개발되고 있다.

자성메모리의 동작은 자성소재에 스핀전류를 주어 자성의 방향을 제어하는 방식으로 이루어진다. 이때, 기존 자성메모리는 스핀전류를 전기로 생성하는데, 이번 연구에서 열로 스핀전류를 발생시키는 소재기술을 개발한 것이다.

그동안 열에 의해 스핀전류가 생성되는 현상, 즉 스핀너런스트 효과(Spin Nernst Effect)가 이론적으로는 발표됐으나, 최근까지 기술적 한계로 실험적으로 증명하지 못했다.

하지만 이번 연구에서 스핀궤도결합이 큰 텅스텐과 백금 소재를 활용하고 스핀너른스트 자기저항 측정방식을 도입해 스핀너른스트 효과를 실험적으로 규명했고, 열에 의한 스핀전류의 생성효율이 기존의 전기에 의한 스핀전류의 생성효율과 유사함을 밝혔다.

연구팀 측은 “현재 국내 자성재료 연구결과는 세계적인 수준으로 높아지고 있는데, 앞으로 분야를 선도하는 연구를 수행하고 싶다”며, “특히 이번 연구에서 개발한 소재기술을 계속 연구로 발전시켜 열인가로 동작하는 자성메모리 소자를 구현하고 지속적인 연구개발을 통해 자성메모리 핵심기술 확보 및 상용화에 앞장서고 싶다”고 밝혔다.