▲ 최경민 연구원과 열 제어 스핀전류 원리 모식도. FM1에 있는 전자가 레이저 열을 받아 발생한 스핀전류가 FM2로 흐르면서 중간에 나노전극의 극을 바꾸는 원리다..

빅데이터를 활용한 다양한 산업이 신뢰를 얻으면서 저장 능력이 월등하고 정보 저장과 처리가 동시에 가능한 스핀메모리 소자가 차세대 메모리로 각광받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 스핀융합연구센터의 최경민 연구원이 이끄는 연구진이 초고속 레이저를 이용한 열로 스핀 전류를 발생시키는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

이 연구는 기존 전기를 이용한 방법보다 효율적이고, 소자의 속도 한계를 밝힐 수 있어 초고속 메모리 소자 개발에 한층 가까워졌다는데 의의가 있다.

전자가 가진 자성으로 스스로 회전하는 운동을 스핀이라고 하며 이를 이용해 수 ㎚크기의 나노자석에 정보를 저장하는 것이 차세대 메모리로 불리는 스핀트로닉스 메모리 기술이다.

기존 전기를 이용한 스핀 전류는 메모리소자의 최대 동작 속도를 파악할 수 없어, 메모리소자의 정보처리 능력을 연구하기가 쉽지 않았다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 전기 대신 열이라는 독창적인 방법을 고안했다. 피코 초(10의 -12승)의 아주 짧은 시간 동안 작동하는 초고속 레이저를 이용해 메모리소자에 열을 가해 생긴 온도 차이가 만들어내는 스핀 전류를 이용했다.

연구팀은 온도차에 의한 스핀 전류 발생 원리를 규명하고, 기존 보다 효율적으로 스핀 전류를 발생시켰다. 열을 이용하면 전자 하나당 발생가능한 스핀 전류량이 전자적 방법보다 월등히 크기 때문이다.

또한 열 발생 스핀 전류는 메모리 속 나노 자석의 N극·S극 방향을 회전시킬 수 있어 방향 제어 속도가 1나노초에서 1피코초로 약 1,000배 향상됐다. 이로써 메모리 성능 측면에서도 우위에 있다는 점을 보여준다.

이 연구는 미래창조과학부 (장관 최양희)와 한국연구재단 (이사장 정민근)이 추진하는 미래융합기술파이오니어사업 및 중견연구자지원사업, 산업통상자원부 (장관 윤상직)와 한국산업기술평가관리원 (원장 이기섭)이 추진하는 전자정보디바이스 산업원천기술개발사업 및 한국과학기술연구원 (원장 이병권)의 기관고유사업 지원으로 수행됐다.

이번 연구는 세계적인 학술지인 Nature Communications 7월 10일자에 ‘열에 의한 초고속 탈자화로 발생시킨 스핀 전류’라는 제목으로 게재돼 Nature 자매 저널에 게재된 Physics 관련 논문 중 주목할 만한 성과를 소개하는 Nature Physics 8월호 ‘News and Views’에 다시 소개돼 연구의 참신성을 인정받았다.