대구경북과학기술원(DGIST) 신물질과학전공 홍정일 교수 연구팀이 차세대 메모리에 적용되는 반강자성체에 열과 자기장을 이용하지 않고 기계적인 진동을 가해 자기정렬을 제어하는 기술을 개발했다.
기존 교환바이어스 설정법의 단점과 한계를 극복한 새로운 설정 방법을 제시해 반강자성체의 스핀트로닉스 활용 가능성을 높였다는 점에서 큰 평가를 받고 있다.
자성체를 활용한 스핀트로닉스 전자공학은 대세로 자리 잡고 있다.
스핀트로닉스는 자성체의 자기 상태를 전기적으로 제어해 정보를 처리하고 저장하는 기술이다.
기존의 실리콘 이용 반도체 소자보다 훨씬 빠르고 효율적으로 데이터를 처리할 수 있다.
스핀트로닉스 기술을 활용한 차세대 메모리인 스핀 메모리를 포함한 다양한 스핀소자는 강자성체와 반강자성체의 결합 구조로 돼 있다.
강자성체의 내부자기 배열상태는 똑같은 방향으로 배열돼 있어 외부자기장을 이용해 원하는 자기정렬 상태로 만들 수 있기 때문에 제어가 용이하다.
반면 반강자성체의 내부자기 배열상태는 서로 반대 방향으로 돼 있어 외부자기장에 의한 제어가 힘들다.
현재까지 반강자성체 제어를 위해서 주로 열과 자기장을 이용해 원자들을 원하는 자기정렬 상태로 만드는 교환바이어스 설정법을 사용하고 있다.
하지만 복잡한 프로세서를 가진 소자들의 특성상 특정 부위만을 제어하기 어려운데다, 원하지 않는 다른 물성들의 손상이 일어나기도 한다.
즉, 열 제어에 한계가 있는 것이다.
연구팀은 열을 가하지 않고 기계적 진동을 이용해 원자 결정 구조의 미세 변형을 가해 원자간 자기 결합(Magnetic Coupling)의 변화를 유도했다.
전압을 가하면 형태가 바뀌는 압전물질(piezo-electric materials)로 구성된 기판 위에 반강자성체로 된 박막을 덧씌웠다.
여기에 교류전압을 통한 기계적 진동을 주면 압전물질의 변형이 일어남과 동시에 덧씌운 반강자성체 박막에 진동이 전해지면서 내부 자기배열상태를 임의로 변경할 수 있었다.
연구팀이 최초 개발한 이번 공정은 기존의 열을 이용한 방법보다 국소부위에 적용이 가능하고 상온에서도 적용 가능해 에너지 효율면에서 훨씬 유리하다.
반복된 작동으로 인해 자기정렬도가 떨어진 소자의 재설정이 가능해 소자의 기능회복을 통한 내구성도 높일 수 있게 됐다.
특히 자기 정렬의 미세 패턴화가 가능해 기존의 소자와는 완전히 다른 작동 메커니즘의 스핀 소자를 설계할 수 있다는 점에서 의미가 있다는 평가를 받고 있다.
홍정일 교수/DGIST 제공
홍 교수는 “기존 교환바이어스 설정법의 단점과 한계를 극복한 새로운 설정 방법을 제시해 반강자성체의 스핀트로닉스 활용 가능성을 높였다는 점에서 그 의의가 있다”며 “지속적으로 반강자성체의 제어 메카니즘을 이해하고 개발해 스핀 신소재 연구를 발전시키고자 한다”고 밝혔다.
이번 연구는 재료과학분야의 최고권위지인 Acta Materialia에 5월15일자 지면에 게재됐다.
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