극한 온도서도 구동 '스핀메모리' 길 열렸다…전류 절반 낮춰 차량용 공략

β-W-Ti 합금 기반 SOT 효율 1.8배 향상…국내·미·일·EU 특허 출원

영하 55℃에서 영상 150℃에 이르는 극한 환경에서도 안정적으로 동작하면서, 구동 전류는 기존 대비 절반 수준으로 낮춘 차세대 스핀메모리 소재·소자 기술이 개발됐다. 차량용 반도체와 저전력 비휘발성 메모리 시장을 겨냥한 원천 기술로 평가된다.

한국연구재단(NRF)은 김영근 고려대학교 교수 연구팀이 베타-텅스텐-타늄(β-W-Ti) 합금 기반 이종접합 구조를 설계하고, 이를 박막 소자로 구현해 스핀-궤도 토크(SOT) 구동 효율을 크게 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다.

울산대학교와 협업한 이론 계산으로 티타늄(Ti) 최적 조성을 도출하고, β-W-Ti/CoFeB/MgO 박막 소자를 제작해 스핀-궤도 토크 효율 향상과 임계 전류 저감 효과를 검증했다. 55℃~150℃ 전 구간에서 안정 동작도 확인했다. 오른쪽 아래는 Ti가 치환된 β-W 격자 구조 모식도. 그림 제공 및 설명: 김영근 고려대 교수

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 국가 반도체 연구실 지원 핵심기술 개발사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 재료·표면공학 분야 국제학술지 '어플라이드 서피스 사이언스(Applied Surface Science)'에 2025년 2월 게재됐으며, 국내 특허는 2025년 10월 21일 등록을 완료했다. 미국·일본·유럽에도 출원해 삼극 특허를 추진 중이다.

스핀트로닉스는 전자의 '스핀(회전)'이라는 자기적 성질을 활용해 정보를 저장·처리하는 기술이다. 이를 적용한 자기저항메모리(MRAM)는 전원이 꺼져도 데이터가 유지되는 비휘발성 메모리로, 저전력·고속 동작이 가능해 차세대 메모리 후보로 주목받고 있다.

특히 스핀-궤도 토크(SOT) 기반 MRAM은 기존 스핀전달토크(STT) 방식보다 속도가 빠르고 전력 효율이 높지만, 차량용 반도체에 적용하려면 넓은 온도 범위에서 낮은 전류로 안정적으로 작동해야 한다는 과제가 있었다. 소자의 핵심은 전류를 스핀 전류로 효율적으로 변환하는 '스핀 전류 발생 소재'다.

연구팀은 기존 β-텅스텐 소재가 공정 조건에 따라 결정구조와 특성이 쉽게 변하고, 극한 온도에서의 신뢰성 검증이 충분하지 않았다는 점에 주목했다. 이를 개선하기 위해 β-텅스텐에 티타늄을 소량 첨가한 β-W-Ti 합금을 설계했다.

이론 계산을 통해 최적 조성을 도출한 뒤 실제 박막 소자로 제작해 실험한 결과, 티타늄 약 11.5% 조성에서 감쇠형 스핀-궤도 토크 효율 0.54를 달성했다. 이는 기존 β-텅스텐 대비 약 1.8배 향상된 수치다. 자화 방향을 뒤집는 데 필요한 임계 전류밀도 역시 절반 수준으로 감소해 더 적은 전력으로 메모리를 구동할 수 있음을 입증했다.

연구팀은 영하 55℃에서 영상 150℃에 이르는 전 온도 구간에서 안정적인 스위칭 동작을 확인하고, 반복 구동 시험도 통과했다. 차량용 반도체에 요구되는 신뢰성 조건을 충족했다는 설명이다.

김영근 고려대학교 교수는 "스핀 전류 발생 소재를 합금 설계 단계에서 최적화해 저전력 구동과 극한 온도 안정성을 동시에 확보한 데 의미가 있다"며 "차량용 반도체를 포함한 고신뢰성 차세대 메모리 구현에 중요한 기반이 될 것"이라고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr