‘고효율 스핀전류 생성 소재’ 연산-기억 동시 수행 미래 컴퓨팅 핵심소자 기대

이달의 과학기술인상 10월 수상자로 KAIST 신소재공학과 박병국 교수를 선정됐다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단은 선정배경으로 박 교수가 차세대 자성메모리(MRAM) 구동의 핵심인 스핀전류를 효율적으로 생성하고, 스핀분극을 자유롭게 제어하는 소재를 개발한 공로를 높이 평가했다.

일반적인 전류는 전자가 가지고 있는 전하(charge)의 흐름을 말하지만 스핀 전류는 전자의 스핀이 이동하는 현상이다. 스핀 전류는 전하의 실제적인 이동이 없이 나타날 수 있어 주울열(Joule heating)로 인한 전력손실로부터 자유롭다.

국내 반도체산업은 메모리 분야의 기술력에 힘입어 세계 시장을 선도해 왔다. 하지만 4차 산업혁명 시대 반도체 강국의 지위를 유지하기 위해 차세대 소자기술 확보가 필요한 상황이다. 스핀트로닉스 기술을 바탕으로 저전력, 초고속, 고집적 반도체 소자 개발의 초석을 다진 박 교수의 수상은 이달 29일 반도체의 날을 앞두고 의미를 더했다는 평가다.

스핀트로닉스란 전자의 고유 성질인 스핀을 디지털 신호로 활용하는 전자공학 분야로 실리콘을 이용한 기억 소자보다 훨씬 많은 데이터를 고속으로 처리할 것으로 전망된다.

자성메모리는 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있고 집적도가 높으며 고속 동작이 가능해 차세대 반도체로 주목받고 있다. 자성메모리의 동작은 스핀전류를 자성소재에 주입해 발생하는 스핀토크로 이루어지기 때문에 스핀전류의 생성 효율이 자성메모리의 성능을 결정하는 핵심기술이다.

박 교수는 기존 연구자들이 스핀 전류 생성을 위해 스핀궤도결합이 강한 백금, 텅스텐과 같은 중금속 재료를 사용한 것과 달리 스핀궤도결합이 비교적 작다고 알려진 값싼 강자성과 전이금속의 이중층 구조에서 해답을 찾았다.

강자성/경금속 계면에서 발생하는 스핀 전류 및 스핀궤도토크 연구결과
(a) 강자성/경금속 계면의 스핀 전류 생성 모식도: 강자성의 자화 방향에 따라서 다른 방향의 스핀 분극을 가진 스핀 전류가 생성됨. (b) 본 연구에 활용된 계면 스핀 전류 소재 (CoFeB/Ti) 및 홀 바 소자. (c, d) CoFeB/Ti 구조에서 발생하는 스핀궤도토크 측정 결과: y-방향 (c) 과 z-방향 (d)의 스핀 분극을 갖는 스핀 전류 생성을 증명함. (e, f) 계면 스핀 전류에 의한 무자기장 자화 스위칭 측정 결과: CoFeB의 자화 방향에 따라서 스위칭 방향을 제어할 수 있음을 증명함.
강자성/경금속 계면에서 발생하는 스핀 전류 및 스핀궤도토크 연구결과.
(a) 강자성/경금속 계면의 스핀 전류 생성 모식도: 강자성의 자화 방향에 따라서 다른 방향의 스핀 분극을 가진 스핀 전류가 생성됨. (b) 본 연구에 활용된 계면 스핀 전류 소재 (CoFeB/Ti) 및 홀 바 소자. (c, d) CoFeB/Ti 구조에서 발생하는 스핀궤도토크 측정 결과: y-방향 (c) 과 z-방향 (d)의 스핀 분극을 갖는 스핀 전류 생성을 증명함. (e, f) 계면 스핀 전류에 의한 무자기장 자화 스위칭 측정 결과: CoFeB의 자화 방향에 따라서 스위칭 방향을 제어할 수 있음을 증명함.

연구팀은 강자성체인 코발트-철-붕소 합금(CoFeB) 또는 니켈-철 합금(NiFe)과 전이 금속인 티타늄(Ti) 이중층 구조를 제작해 스핀궤도토크를 측정했다. 실험결과 강자성/전이금속 계면에서 스핀 전류가 효과적으로 생성, 생성된 스핀 전류의 스핀 분극 방향을 임의로 제어할 수 있었다. 일련의 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’ 2018년 6월호에 게재됐다.

박병국 KAIST 교수.

박 교수는 “스핀 전류를 효율적으로 생성하고 스핀 방향을 임의로 제어할 수 있는 소재 기술은 차세대 비휘발성 자성메모리 동작 기술로 활용 가능하며, 연산과 기억을 동시에 수행하는 미래 컴퓨팅 핵심소자로 응용할 수 있다”며 “앞으로도 미래 반도체 기술을 선도할 스핀기반 신소재 개발에 주력하겠다”라고 수상 소감을 밝혔다.

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1000만원을 수여한다.