▲ 홍지상

인공지능(AI)과 빅데이터 기술이 발전할수록 처리해야 할 데이터양이 기하급수적으로 증가함에 따라 스핀-궤도 토크 소자를 이용한 고효율·초저전력 고속 자성메모리에 대한 관심이 증가하고 있다.

스핀-궤도토크 : 비자성 물질과 자성물질로 이루어진 구조에서 비자성 물질에 흐르는 전류를 이용해 자성물질에 회전력을 가하여 자성층의 자화방향을 바꾸는 회전력

한국연구재단(이사장 이광복)은 부경대학교 홍지상 교수 연구팀이 2차원 WTe2*/Fe3GaTe2** 물질을 스핀-궤도 토크 소자로 이용해 기존 자성메모리 소자 보다 전력소모를 10분의 1로 줄인 계산 결과를 발표했다고 밝혔다.

*텅스텐 디텔루라이드(WTe2): 전이금속 칼코제나이드 계열의 물질로서 두께에 따라 금속특성과 반도체 특성을 가지는 물질.

**철갈륨디텔루라이드(Fe3GaTe2): 상온에서 자성체의 특성을 보인다고 알려진 2차원 물질의 한 종류.

스핀-궤도 토크를 이용한 자성메모리 소자는 높은 안정성과 빠른 동작 속도로 활용 가능성이 높다. 하지만 소자 구동에 필요한 임계전류*와 전력 소모가 높아 에너지 효율이 낮은 단점이 있다.

*임계전류: 자성층의 자화방향을 바꾸기 위해 비자성층에 흘려주는 전류밀도의 최소값.

 이를 극복하기 위해 2차원 자성체를 이용한 고효율 저전력 소자 이론 연구가 활발하다.

새로운 소자를 실재 연구와 산업에 응용하기 위해서는 온도효과*를 고려한 이론연구가 필요하다. 하지만, 현재 보고된 연구들은 대부분 절대영도에서 나타나는 현상을 설명한 것으로, 온도효과에 대한 근거를 제시하지 않았다.

*온도효과: 기온과 기류속도 및 주위 벽면에서의 복사열 등의 총합 효과를 나타내는 것.

 연구팀은 2차원 자성체인 Fe3GaTe2와 비자성체 물질인 WTe2로 이루어진 이종접합 구조를 활용하여 상온에서 전력소모를 획기적으로 낮출 수 있는 가능성을 이론적으로 제시하였다.

연구팀은 제일원리 방법*을 이용해 WTe2/Fe3GaTe2 구조의 스핀-궤도 토크 효율을 결정하는데 필요한 다양한 물리량들을 실재 온도효과까지 고려해 계산하였다.

*제일원리 방법: 임의의 매개변수 없이 슈뢰딩거 방정식을 이용하여 모든 물리량들을 계산하는 방법.

이를 통해 새로운 소자는 기존의 탄탈류(Ta) 및 백금(Pt) 기반 소자들과 비교하여 상온에서 전력소모량이 10분의 1 정도로 감소함을 밝혔다.

홍지상 교수는 “고효율, 저전력, 초스피드 작동 메모리 소자에 대한 요구가 증대되는 가운데 이번 연구 결과가 관련 소자 개발 연구의 이론적 근거를 제시할 것으로 기대된다”라며, “앞으로도 실험적으로 합성이 용이한 물질을 대상으로 고효율 저전력 소자 가능성을 확인하는 연구를 지속하겠다”라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중견연구자 지원사업으로 수행된 이번 연구 성과는 물리 분야 국제학술지 ‘머티리얼즈 투데이 피직스(Materials Today Physics)’에 3월 4일 게재되었다.