DGIST, 정보처리 성능 높일 스핀 기반 차세대 제어메커니즘 규명

반강자성체를 응용한 스핀 소자 내 자화 반전 진행 과정과 관련 작용 규명
차세대 자성 메모리 및 컴퓨팅 메커니즘의 효율 향상에 큰 역할 기대

국내 연구진이 자성체 기반 차세대 정보처리 및 저장 디바이스 효율을 더욱 향상시킬 핵심 메커니즘을 최초 규명했다.

대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)는 홍정일 신물질과학전공 교수팀과 황찬용 한국표준과학연구원(KRISS) 박사팀이 자성체 내 자구의 이동 메커니즘에 대한 상호 작용을 밝혀내고 이를 효율적으로 미세 제어할 수 있는 새로운 스핀트로닉스 응용 구조를 제시했다고 22일 밝혔다.

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

스핀트로닉스 기술은 자성체 자기 상태를 전기적으로 제어해 정보를 처리, 저장하는 고성능·고효율 컴퓨팅 기술 구현 핵심 원리다. 자성체 내 정보 이동 및 처리를 담당하는 소자 작동원리는 자화 반전현상을 통해 일어나는데 자구의 다양한 움직임과 확장 등을 통한 이동 특성에 의해 결정된다.

자구의이동과정에 관여하는 원자간 상호작용 분석 및 관측결과
자구의이동과정에 관여하는 원자간 상호작용 분석 및 관측결과

연구팀은 자성체 내부 자구 움직임에 반강자성체에 의한 교환바이어스 필드를 도입, 계면효과들이 스핀 정렬 상태에 미치는 영향을 연구했다. 실험을 통해 DMI 효과(다중박막 내부에서 스핀들 간 비뚤어진 배열을 유도하는 효과)가 있는 자성 박막에 반강자성체를 인접시켰다. 이후 교환바이어스 효과에 의한 유효자기장을 추가 작용시켜 자구벽 스핀 구조 변화와 이동을 관찰하면서 자구벽 모양과 속도 변화를 확인해 교환바이어스 유효자기장에 의해 제어될 수 있음을 확인했다. 이로써 공학자들이 제안했던 자성체 자구 동역학에 기반한 정보처리 메커니즘을 구현하고 그 작동원리를 최초 규명할 수 있었다.

홍정일 교수는 “반강자성체 계면효과로 인접 자성체 내 자구 이동의 미세 제어가 가능함을 실증해 반강자성체 스핀트로닉스 활용 가능성을 높였다는 점에서 의의가 있다. 지속적인 연구를 통해 반강자성체가 나타내는 새로운 스핀 특성을 밝히고 이에 기반한 신소재 개발을 이어나가겠다”고 밝혔다.

DGIST 신물질과학전공 김현중 박사졸업생(현 한국표준과학연구원)와 제숭근 전남대학교 물리학과 교수가 공동 제1저자로 참여했다. 한국연구재단과 국가과학기술연구회 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 재료과학분야의 권위지 '어드밴스드 사이언스' 온라인에 게재됐다.

대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com