재료 그대로 두고 전류만으로 자성 바꿨다…차세대 메모리 기술 성큼[과학을읽다]

DGIST, 페리자성체 '보상온도' 최대 110K 낮춰
화학처리·두께 조절 없이 전류 펄스로 스핀 배열 제어

재료의 성분이나 두께를 바꾸지 않고 전류만으로 물질의 자기적 특성을 조절하는 기술이 개발됐다. 소자를 만든 뒤에도 원하는 부분의 자기 특성을 전기적으로 바꿀 수 있어 차세대 스핀트로닉스 메모리 개발에 활용될 것으로 기대된다.

DGIST는 화학물리학과 홍정일 교수 연구팀이 전류 펄스로 페리자성체 내부의 스핀 배열을 변화시켜 '보상온도'를 최대 약 110K(켈빈·온도 변화량으로는 섭씨 110도와 동일) 낮추는 데 성공했다고 15일 밝혔다.

전류로 CoGd 스핀 배열과 보상온도를 제어하는 원리. Pt에 전류를 흘리면 IrMn₃와 CoGd의 스핀 배열이 변하면서 나선형 구조가 형성되고, 전류가 증가할수록 보상온도가 낮아진다. 연구팀 제공

페리자성체는 서로 반대 방향을 향하는 두 종류의 자성이 함께 존재하는 물질이다. 온도에 따라 두 자성의 크기가 달라지다가 특정 온도에 이르면 서로 상쇄되는데, 이 지점을 보상온도라고 한다. 보상온도 부근에서는 자성을 빠르고 효율적으로 제어할 수 있어 고속·고집적 메모리 소자 개발에 중요한 특성으로 꼽힌다.

기존에는 보상온도를 조절하기 위해 합금의 조성이나 박막의 두께를 바꾸거나 열처리, 이온 주입 등의 추가 공정이 필요했다. 이 때문에 소자를 제작한 뒤 특정 영역의 자기 특성을 원하는 대로 조절하기 어렵고, 공정 과정에서 물질의 구조나 성분이 변할 수 있다는 한계가 있었다.

전류가 스핀 배열 바꿔…보상온도 최대 110K 이동

연구팀은 백금(Pt)·이리듐망간(IrMn₃)·코발트가돌리늄(CoGd)을 차례로 쌓은 다층 박막을 이용했다. 백금층에 전류를 흘리면 전자의 스핀에 의해 '스핀-궤도 토크'가 발생하고, 이 힘이 인접한 이리듐망간의 스핀 배열을 변화시킨다.

변화한 이리듐망간의 스핀은 다시 코발트가돌리늄 내부의 스핀에 영향을 준다. 연구팀은 이리듐망간이 코발트(Co) 스핀과 강하게 결합하지만 가돌리늄(Gd) 스핀과는 거의 결합하지 않는다는 사실을 확인했다. 이에 따라 박막 내부에서 스핀 방향이 두께에 따라 점진적으로 달라지는 구조가 만들어지고, 코발트와 가돌리늄 사이의 자기적 결합도 변하면서 보상온도가 낮아지는 것으로 나타났다.

실험에서 코발트와 가돌리늄 비율이 같은(Co?.?Gd?.?) 박막의 보상온도는 당초 약 350~360K에서 전류 펄스를 가한 뒤 약 280~290K로 70K가량 낮아졌다. 코발트 비율을 높인 박막(Co?.??Gd?.₃₂)에서는 약 170~180K였던 보상온도가 60~70K까지 떨어져 최대 약 110K의 변화가 나타났다.

전류 펄스의 세기와 인가 시간을 늘릴수록 보상온도가 점진적으로 낮아지는 것도 확인했다. 외부 자기장이나 별도의 화학적 처리 없이 상온에서 가하는 전기 신호만으로 자기 특성을 조절할 수 있다는 의미다.

연구팀 사진. 좌측부터 홍정일 DGIST 화학물리학과 교수, 최원창 박사후연수연구원, 심태보 통합과정생. DGIST 제공

연구팀은 이번 기술을 활용하면 하나의 박막에서도 위치에 따라 서로 다른 자기 특성을 갖도록 설정하거나 소자의 동작 온도를 전기적으로 조절할 수 있을 것으로 보고 있다.

홍 교수는 "물질의 자성 특성이 원자의 종류와 공간적 배치뿐 아니라 내부 스핀의 배열에 따라서도 크게 달라질 수 있음을 보여준 결과"라며 "전류 펄스의 세기와 시간을 이용해 보상온도를 조절할 수 있다는 점에서 원하는 위치에 서로 다른 자기 특성을 구현하는 차세대 스핀 메모리 기술로 확장될 가능성이 크다"고 말했다.

이번 연구에는 최원창·심태보 연구자가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)'에 지난달 31일 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr