[이대수 · 최시영 교수팀, 원자 수준 제어로 차세대 고효율 메모리 소재 개발]

나비의 날갯짓처럼 미세하고 작은 변화가 때로는 우리의 삶에서 예상치도 못한 큰 성과와 변화를 만들기도 한다. 최근 POSTECH 연구팀은 아주 사소한 부분을 바꾸어 차세대 DRAM 메모리 분야에서 뜨거운 감자로 떠오르고 있는 ‘스핀-궤도 토크(spin-orbit torque, 이하 SOT)’ 소재를 개발했다.

물리학과 이대수 교수 · 통합과정 조용주 씨, 신소재공학과 최시영 교수 연구팀은 복합 산화물의 원자 수준 제어를 통해 고효율 자유장^*1 SOT 자화 전환에 성공했다. 이번 연구는 나노 과학과 나노 기술 분야 국제 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 최근 게재됐다.

전자의 스핀(자기적 성질)과 운동(전기적 성질) 간의 상호작용으로 발생하는 SOT는 전류가 흐를 때 스핀의 움직임을 통해 자기 상태를 제어하는 현상이다. 전기가 아닌 자기 정보를 이용하면 메모리의 전력 소모를 줄이고, 전원이 꺼져도 정보가 보존되는 비휘발성 메모리 연구에 유리해 최근 반도체와 금속 등 다양한 소재를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 자성과 ‘스핀 홀 효과’^*2를 동시에 나타내는 소재를 찾고, SOT에 의한 효율적 자화 전환 연구가 큰 주목을 받고 있지만, 단일층 내에서 발생한 서로 반대 방향의 스핀 전류가 상쇄되어 사라지는 문제가 있었다.

이대수 · 최시영 연구팀은 이번 연구에서 소재의 아주 작고 사소한 물질 구조를 체계적으로 바꿔 문제를 해결했다. SrRuO3(루테륨산 스트론튬)은 자성과 스핀 홀 효과가 동시에 나타나는 복합 산화물로 SOT 연구에서 많이 사용되고 있다. 연구팀은 이 복합 산화물의 위쪽과 아래쪽 표면층의 원자 격자 구조를 미세하게 조절해 상하층 간 서로 다른 스핀 홀 효과를 내는 SrRuO3를 합성했다. 전략적으로 설계된 비대칭 표면 구조로 스핀 홀 효과의 불균형을 만듦으로써 특정 방향으로 자기적인 효과를 제어할 수 있게 된 것이다.

이를 바탕으로 연구팀은 자기장 없이 효율적 자화 전환(switching)에 성공했다. SrRuO3를 기반으로 한 소자에서 SOT를 구현해 전류만으로 자기 도메인 방향을 바꿔 데이터를 쓰고 읽을 수 있게 된 것이다. 연구팀의 메모리 소자는 지금까지 알려진 단일층-자유장 시스템 중에서 최고의 효율(2~130배)과 최소 전력 소비(2~30배)를 기록했다. 기존 연구에서 사용되던 SrRuO3의 기존 물성은 유지하면서도, 자기장 없이 자화 전환에 성공한 것이다.

이대수 교수는 “연구팀이 합성한 비대칭 SrRuO3는 강자성과 스핀 홀 효과 간 상호작용을 연구하는 중요한 플랫폼”이라며, “후속 연구를 통해 새로운 SOT 메커니즘을 발견하고, 고효율 상온 단일 상 SOT 소재를 구현하겠다“라는 기대를 전했다.

한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단 중견연구지원사업의 지원으로 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01788

1. 자유장(field-free)
SOT 자화 스위칭에 면내 자기장의 도움을 필요로 하지 않는 경우를 말한다.

2. 스핀 홀 효과(spin-Hall effect)
홀 효과와 유사하게 계에 인가된 전기장에 수직인 방향으로 스핀 전류가 흐르는 현상을 말한다.