전기 대신 열로 ‘스핀전류’ 얻는다

- 이론으로 예측된 열로부터 스핀전류 생성 소재기술 증명...저전력 메모리 개발 원천기술 확보

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▲스핀너른스트 현상을 이용한 열인가 자성메모리의 개략도. 자성메모리에 온도구배에 의해서 생성되는 스핀전류로 정보를 기록하는 새로운 개념의 자성메모리 동작방식.
박병국 교수(한국과학기술원) 연구팀이 자성메모리(MRAM)의 새로운 동작 원리인 열로 스핀전류를 생성하는 소재기술을 개발했다.

스핀전류란 일반적인 전류는 전자가 가지고 있는 전하(charge)의 흐름을 말하는데, 스핀전류는 전자의 또 다른 고유특성인 스핀(spin)이 이동하는 현상이다. 스핀전류는 전하의 실제적인 이동이 없이 나타날 수 있어 주울열(Joule heating)로 인한 전력손실로부터 자유로울 수 있다.
 
과학기술정보통신부(장관 유영민) 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행된 이 연구 결과는 이경진 교수(고려대), 정종율 교수(충남대)와 공동으로 수행한 것으로, 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 9일자에 게재됐다.(논문명: Observation of transverse spin Nernst magnetoresistance induced by thermal spin current in ferromagnet/non-magnet bilayers)-저자: 김동준(제1저자, 한국과학기술원 박사과정), 전철연, 최종국, 이재욱(한국과학기술원), Srivathsava Surabhi, 정종율 교수(충남대학교), 이경진 교수(고려대학교), 박병국 교수(교신저자, 한국과학기술원) 포함 총 8명
 

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▲스핀너른스트 기반 열인가 스핀전류 생성에 관한 주요 연구 결과. (a) 스핀너런스트 자기저항 원리 및 실험 개략도. (b) 주요 실험 결과. W/CoFeB과 Pt/CoFeB 구조에서 면내 온도구배에 따른 스핀너런스트 자기저항. W과 Pt에서 반대부호의 열-스핀 변환효율을 규명.
자성메모리는 실리콘 기반의 기존 반도체 메모리와 달리 얇은 자성 박막으로 만들어진 비휘발성 메모리 소자다. 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 집적도가 높고 고속 동작이 가능한 장점이 있어, 차세대 메모리로 개발되고 있다. 
 
자성메모리의 동작은 자성소재에 스핀전류를 주어 자성의 방향을 제어하는 방식으로 이루어진다. 이때, 기존 자성메모리는 스핀전류를 전기로 생성하는데, 이번 연구에서 열로 스핀전류를 발생시키는 소재기술을 개발했다.

그동안 열에 의해 스핀전류가 생성되는 현상, 즉 스핀너런스트 효과(Spin Nernst Effect)가 이론적으로는 발표되었으나, 최근까지 기술적 한계로 실험적으로 증명되지 못했다.

하지만 이번 연구에서 스핀궤도결합이 큰 텅스텐과 백금 소재를 활용하고 스핀너른스트 자기저항 측정방식을 도입해 스핀너른스트 효과를 실험적으로 규명했고, 열에 의한 스핀전류의 생성효율이 기존의 전기에 의한 스핀전류의 생성효율과 유사함을 밝혔다.
 
박병국 교수는 “이번 연구는 열에 의한 스핀전류 생성이라는 새로운 물리현상을 실험적으로 규명한 것에 의미가 크고, 추가 연구를 통해 자성메모리의 새로운 동작방식으로 개발할 예정이다.”라고 밝혔다.

열에 의해 동작하는 자성메모리의 개발은 전력소모를 획기적으로 낮출 수 있어 웨어러블, 모바일 및 사물인터넷 등 저전력 동작이 요구되는 전자기기의 발전에 기여할 것으로 기대된다.
 
[김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]