울산과학기술원(UNIST) 연구진이 자석의 특성을 이용한 컴퓨터 기억장치이면서 차세대 메모리로 주목받는 '자성 메모리'(MRAM) 효율을 높이는 연구에 성공했다.

20일 박노정 자연과학부 교수팀은 김정우 인천대 교수팀, 김경환 한국과학기술연구원(KIST) 선임연구원과 공동으로 수억 분의 1ｍ의 얇은 두께를 갖는 자성체의 '자기이방성'(Magnetic Anisotropy)을 효과적으로 제어할 방법을 제시했다고 밝혔다.

자기이방성은 자성체 결정의 축 방향에 따라 자성을 띠는 정도가 달라지는 성질이다.

▲ 이차원 자성 물질인 요오드화크롬의 자성 방향을 조절하는 방법을 표현한 모식도.

연구진은 이 성질을 '온-오프 스위치'처럼 사용해 에너지 소모를 줄이면서 정보를 더 빠르고 안정적으로 저장할 가능성을 확인했다.

물질의 자성은 스핀(Spin)이라는 전자 회전운동에서 비롯된다.

스핀은 N-S극을 갖는 아주 작은 자석 알갱이로, 자기장을 가해 그 방향을 정렬할 수 있다.

이때 물질이 자성을 띠는 것을 자화(磁化)라고 하는데, 자성 메모리는 이 자화 방향을 이용해 정보를 저장하고 읽는다.

그러나 자기장으로 자화를 조절하면 전력 소모가 많고 발열이 생겨 메모리 소자의 집적도를 높이기는 어렵다.

연구진은 이번 연구에서 자기장이 아닌, 빛과 전기장을 이용해 자화 방향을 조절할 수 있다는 것을 이론적으로 증명했다.

이차원 물질인 요오드화크롬에 빛과 전기장을 가하면, 이 물질의 자기이방성 크기를 제어할 수 있다는 점을 밝힌 것이다.

자성체는 자기이방성 크기에 따라 자화 방향이 달라지므로, 자기장 없이도 자화 조절이 가능하다.

이 경우 에너지 소모는 줄이면서 정보를 더 빠르고 안정적으로 저장할 수 있다.

자성체의 자기이방성이 크면 스핀이 한쪽으로 정렬되는 성질이 강하다.

그 덕분에 입력된 정보가 안정적으로 저장되지만, 새 정보를 입력할 때 들어가는 에너지 소모는 크다.

연구진은 자기이방성을 조절하는 방법으로 이런 문제를 극복했다.

정보를 입력할 때는 자기이방성 크기를 낮추고, 정보를 보관할 때는 높이는 것이다.

이렇게 조절하면 적은 에너지로 더 빠르고 효과적으로 정보를 입력·저장할 수 있다.

연구진은 빛과 전기장을 이용해 원자 수준으로 얇은 자성체의 자기이방성을 아예 없애거나 5배까지 키울 수 있다는 점을 이론계산을 통해 밝혔다.

또 요오드화크롬의 자기이방성을 조절해 수직 방향으로 자화가 일어나는 현상을 강화할 수도 있었다.

수직 자화가 수평 자화보다 정보 저장밀도가 높고 스핀 방향을 바꾸는 에너지 소모가 적으므로, 이번 발견은 앞으로 자성 메모리 개발에 도움을 줄 전망이다.

박노정 교수는 "이번 연구는 '고효율 자성 소자' 구현에 필수적으로 여겨졌던 자기이방성을 빛과 전기장으로 매우 빠르게 제어할 수 있음을 증명했다"고 밝혔다.

이번 연구는 나노분야 국제학술지 '나노 레터스'(Nano Letters) 12일 자에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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