DGIST 홍정일 교수 - KRISS 황찬용 박사팀, 정보처리 성능 높일 스핀 기반 차세대 제어 메커니즘 개발

DGIST 신물질과학전공 홍정일 교수(왼쪽)와 한국표준과학연구원 황찬용 박사.

국내 연구진이 자성체 기반의 차세대 정보처리 및 저장 디바이스의 효율을 더욱 향상시킬 핵심 메커니즘을 최초 규명했다.

22일 DGIST는 신물질과학전공 홍정일 교수팀과 한국표준과학연구원(KRISS·원장 박현민) 황찬용 박사팀이 자성체 내 자구(磁區, magnetic domain)의 이동 메커니즘에 대한 상호 작용을 밝혀내고, 이를 효율적으로 미세 제어할 수 있는 새로운 스핀트로닉스 응용 구조를 제시했다고 밝혔다.

1990년대부터 스핀트로닉스 전자공학이 본격 도입되면서 더 많은 정보의 저장 및 처리가 가능한 차세대 자성 메모리 및 정보처리 소자, 고효율 센서 기술들이 개발되고 있다. 스핀트로닉스 기술은 자성체의 자기 상태를 전기적으로 제어해 정보를 처리, 저장하는 고성능-고효율 컴퓨팅 기술 구현의 핵심 원리다.

자성체 내의 정보 이동 및 처리를 담당하는 소자의 작동원리는 자화 반전(flux reversal) 현상을 통해 일어나는데, 자구의 다양한 움직임과 확장 등을 통한 이동 특성에 의해 결정된다. 자구는 자성체가 일정한 방향성을 갖고 정렬돼 있는 미세한 구역인데, 자구의 배열을 통해 0과 1로 구성된 최소 데이터 단위인 비트(bit)를 생성한다. 이 때문에 자구의 움직임을 제어해 고성능-고효율 컴퓨팅 기술을 이루어 내려는 연구가 최근 활발히 진행 중이다.

이에 DGIST-KRISS 공동연구팀은 자성체 내부 자구의 움직임에 반강자성체에 의한 교환바이어스 필드를 도입해, 계면효과들이 스핀 정렬 상태에 미치는 영향을 연구했다. 연구팀은 실험을 통해 DMI 효과(다중박막 내부에서 스핀들간의 비뚤어진 배열을 유도하는 효과)가 있는 자성 박막에 반강자성체를 인접시켰다. 이후 교환바이어스 효과에 의한 유효자기장을 추가 작용시켜 자구벽의 스핀 구조 변화와 이동을 관찰하면서, 자구벽의 모양과 속도 변화를 확인해 교환바이어스 유효자기장에 의해 제어될 수 있음을 확인했다. 이로써 많은 공학자들이 제안했던 자성체의 자구 동역학에 기반한 정보 처리 메커니즘을 구현하고 그 작동 원리를 최초 규명할 수 있었다.

홍정일 교수는 "이번 연구는 반강자성체의 계면효과로 인접 자성체 내 자구 이동의 미세 제어가 가능함을 실증해, 반강자성체의 스핀트로닉스 활용 가능성을 높였다는 점에서 그 의의가 있다"며, "지속적인 연구를 통해 반강자성체가 나타내는 새로운 스핀의 특성을 밝히고 이에 기반한 신소재 개발을 이어나가겠다."고 계획을 밝혔다.

이번 연구 성과는 DGIST 신물질과학전공 김현중 박사졸업생(현 한국표준과학연구원)와 전남대 제숭근 물리학과 교수가 공동 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단과 국가과학기술연구회의 지원으로 수행됐다. 아울러 재료과학분야의 권위지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 7월15일자 온라인 게재됐다.

?자구(磁區, magnetic domain)= 자성체가 일정한 방향성을 지니며 정렬되어 있는 작은 규모의 구역, 이러한 자구의 배열을 이용해 이진법의 0과1로 구분되는 디지털정보단위를 기록할 수 있는 특성을 지닌다.
?자화 반전(flux reversal, 磁化反轉)= 자기 기록 매체상에 있어서 자석이 N에서 S, 또는 S에서 N으로 변화하는 현상.
?반강자성체(反强磁性體, Antiferromagnetic Substance)=물질 중의 자기(磁氣) 배열이 2조로 갈라져 서로 반대 방향으로 향하기 때문에 전체로서는 자력이 나타나지 않는 물질.
?교환바이어스(Exchange Bias)= 차세대 스핀트로닉스 소자의 핵심 동작 원리 중 하나로, 자기 정보를 전기적인 방법으로 읽고 쓰기 위한 '스핀밸브'의 작동에 결정적 역할을 하는 현상이다. 교환 바이어스 크기가 자기배열의 안정성에 영향을 미친다.

박종문기자 kpjm@yeongnam.com

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