차세대 메모리 소재 저비용·고효율 가공 기술 개발

홍정일 DGIST 교수팀, 반강자성체에 기계적 진동 가해 자기 정열 제어하는 기술 개발

(그림설명) 물질의 결정구조에 인가되는 기계적 진동에 의해 원자별 자기 결합 및 자기 배열 상태에 의해 결정되는 교환바이어스 특성이 여러 방향으로 설정될 수 있음을 의미한다.

[아시아경제 김봉수 기자] 차세대 메모리의 소재인 반강자성체를 기존 보다 저비용ㆍ고효율적으로 가공할 수 있는 기술이 개발됐다.

대구과학기술원(DGIST)은 신물질과학전공 홍정일 교수 연구팀이 기존의 열ㆍ자기장이 아닌 기계적인 진동을 가해 반강자성의 자기 정렬을 효과적으로 제어하는 기술이 최초 개발됐다.

990년대부터 자성체를 활용한 스핀트로닉스 전자공학이 본격 도입되면서 더 많은 정보의 저장 및 처리가 가능한 차세대 메모리 및 정보처리 소자 개발이 활발하다. 스핀트로닉스는 자성체의 자기 상태를 전기적으로 제어해 정보를 처리하고 저장하는 기술로, 기존의 실리콘을 이용한 반도체 소자보다 훨씬 빠르고 효율적으로 데이터를 처리할 수 있다.

반강자성체는 강자성체와 결합돼 이같은 스핀트로닉스 기술을 활용한 차세대 메모리인 '스핀 메모리'를 포함한 다양한 스핀소자로 쓰이다.일반적으로 강자성체의 내부 자기 배열상태는 똑같은 방향으로 배열돼 있어 외부자기장을 이용해 원하는 자기정렬 상태로 만들 수 있기 때문에 제어가 용이하다. 하지만 반강자성체의 내부 자기 배열상태는 서로 반대 방향으로 돼 외부자기장에 의한 제어가 어렵다. 때문에 반강자성체 제어를 위해서는 현재까지 주로 열과 자기장을 이용해 원자들을 원하는 자기정렬 상태로 만드는 교환바이어스 설정법이 사용돼 왔다.

문제는 복잡한 프로세서를 가진 소자들의 특성상 특정 부위만을 제어하기 어렵고, 원하지 않는 다른 물성들이 손상이 일어나는 단점 때문에 열 제어의 한계가 있는 실정이다.

연구팀은 열을 가하지 않고 기계적 진동을 이용해 원자 결정 구조의 미세 변형을 가해 원자간 자기 결합(Magnetic Coupling)의 변화를 유도했다. 연구팀은 전압을 가하면 형태가 바뀌는 압전물질(piezo-electric materials)로 구성된 기판 위에 반강자성체로 된 박막을 덧씌웠다. 여기에 교류전압을 통한 기계적 진동을 주면 압전물질의 변형이 일어나는 동시에 덧씌운 반강자성체 박막에 진동이 전해지면서 내부 자기배열상태를 임의로 변경할 수 있음을 확인했다. 또한 이를 반복적으로 인가(印加)하여 자기 결합 상태를 재설정할 수도 있음을 추가로 알아냈다.

연구팀이 최초 개발한 이번 공정은 기존의 열 공법에 비해 상온에서 특정 부위에만 적용할 수 있어 훨씬 효율적이다. 반복된 작동으로 인해 자기정렬도가 떨어진 소자의 재설정이 가능해 소자의 기능회복을 통한 내구성을 높일 수 있다. 자기 정렬의 미세 패턴화가 가능해 기존의 소자와는 완전히 다른 작동 메커니즘의 스핀 소자를 설계할 수 있기도 하다.

홍정일 교수는 "기존 교환바이어스 설정법의 단점과 한계를 극복한 새로운 설정 방법을 제시해 반강자성체의 스핀트로닉스 활용 가능성을 높였다는 점에서 의의가 있다"면서 "향후 지속적으로 반강자성체의 제어 메카니즘을 이해하고 개발해 스핀 신소재 연구를 발전시킬 것"이라고 말했다.

이번 연구는 재료과학분야의 최고권위지인 'Acta Materialia'의 지난 15일자 지면에 게재됐다.