기초과학연구원(IBS) 강상관계 물질 연구단이 기존 보다 전력 소비를 100만 배 줄인 차세대 메모리 소자 상용화를 견인할 기술을 개발했다.

▲ 스핀이 소용돌이 형태로 정렬된 스커미온(위)과
그 단면의 모습(아래).

노태원 IBS 강상관계 물질 연구단장 팀은 강유전체와 강자성체를 차례로 쌓아올린 하이브리드 물질에서 스핀이 소용돌이치는 '스커미온' 입자를 발견했다.

스커미온은 자성체 내부에서 형성되는 소용돌이 모양의 스핀 구조체를 말한다. 스커미온의 생성과 소멸에 따라 데이터를 저장하는 기존 구조인 '1'과 '0'을 만들어낼 수 있다. 한번 생성되면 쉽게 소멸되지 않아 안정적일뿐더라 기존 자성 정보소자보다 약 100만배 적은 전력으로 작동하고, 크기도 수 나노미터(nm‧1nm는 10억 분의 1m) 수준으로 작아 차세대 전자소자의 기본 단위로 각광받고 있다.

▲ 연구진이 제작한 이종접합 구조 물질

스커미온을 실질적인 정보소자로 활용하기 위해서는 두 가지 한계를 극복해야 한다. 먼저 단위 면적에 많은 스커미온 입자를 배치해 저장용량을 높일 수 있도록 크기 100nm이하의 초소형 스커미온을 제작해야 한다. 또 스커미온의 특성을 실시간으로 제어할 수 있어야 한다. 지금까지 스커미온이 존재하는 자성체들이 여럿 발견됐지만, 두 가지 조건을 동시에 만족하는 경우는 드물었다.

연구진은 새로운 이종접합 구조 물질을 합성하는 과정에서 우연히 스커미온의 존재를 확인했다. 강유전체인 티탄산바룸(BaTiO₃)과 자성체인 스트론튬루테네이트(SrRuO₃) 박막을 차례로 쌓아올린 이종접합 구조를 제작한 뒤, 자기장에 따른 저항을 측정했다. 이 과정에서 스커미온을 가진 물질에서 흔히 나타나는 '비정상 홀 효과(Anomalous Hall effect)'를 발견했다.

이후 스커미온의 크기를 직접 측정하기 위해 중국 고자기장연구소와 공동연구를 수행했다. 자기력현미경(MFM)을 이용한 측정 결과, 개별 스커미온이 100nm 이하의 크기를 가지는 초소형임을 확인했다. 스커미온의 크기가 작을수록 한정된 면적에 많은 입자들을 배치할 수 있어 전자소자의 성능을 높이는 데 유리하다.

전기를 이용해 스커미온 밀도를 제어하는 데도 성공했다. 이 과정에서는 가해진 전기장에 따라 분극 방향을 변화시키는 강유전체의 특성을 이용했다. 강유전체의 분극 변화가 이종접합 구조에서인접한 자성체의 격자구조에 영향을 주고, 최종적으로는 스커미온의 밀도 변화를 야기했다. 가령, 분극 방향이 위를 향하면 자성체에 유도되는 스커미온의 밀도가 높아지고, 아래를 향하면 스커미온의 밀도가 낮아지는 식이다.

▲ '레이스 트랙 메모리'는 스커미온을 활용할 수 있는 대표적인 분야다. 스커미온의 존재 유무에 따라 1과 0의 신호를 구분하고, 이를 통해 정보를 빠르게 읽고 쓸 수 있다. 기존 하드디스크처럼 디스크를 회전시킬 필요가 없어 더 빠르면서도 전력소비는 대폭 줄일 수 있다.
(출처: 독일 율리히연구소)

노태원 단장은 "이번 발견은 응집물질 물리학의 주요 연구 주제인 '스커미온'과 '강유전성'을 융합해보자는 시도에서 시작됐다"며 "향후 스핀트로닉스 소자 등 스커미온을 이용한 정보 소자를 만드는 데 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

연구결과는 국제학술지 '네이처 머티리얼스(Nature Materials)' 11월 6일자 온라인 판에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬