데이터가 기하급수적으로 증가함에 따라 스핀-궤도토크 소자를 이용한 고효율·초저전력 고속 자성메모리 기술에 대한 관심이 늘어난 가운데, 국내 연구진이 전력소모를 10분의 1로 줄인 차세대 자성메모리 소자 연구결과를 발표해 눈길을 끈다.

스핀-궤도토크는 비자성 물질과 자성 물질로 이뤄진 구조에서 비자성 물질에 흐르는 전류를 이용해 자성 물질에 회전력을 가해 자성층의 자화방향을 바꾸는 회전력이다. 

이를 활용한 자성메모리 소자는 높은 안정성과 동작 속도가 빨라 활용가능성이 많지만, 임계전류와 전력소모가 많아 에너지 효율이 낮은 점이 단점으로 지적돼 왔다.

한국연구재단은 13일 부경대학교 홍지상 교수 연구팀이 2차원 텅스텐 디텔루라이드(WTe2)/철갈륨디텔루라이드(Fe3GaTe2) 물질을 스핀-궤도 토크 소자로 이용해 기존 자성메모리 소자 보다 전력소모를 10분의 1로 줄인 계산 결과를 발표했다고 밝혔다.

WTe2는 전이금속 칼코제나이드 계열의 물질로 두께에 따라 금속특성과 반도체 특성을 지닌다. Fe3GaTe2는 상온에서 자성체의 특성을 보인다고 알려진 2차원 물질이다.

새로운 소자를 실재 연구와 산업에 응용하기 위해서는 온도효과를 고려한 이론연구가 필요하지만, 현재 보고된 연구 대부분이 절대영도에서 나타나는 현상을 설명한 것으로, 온도효과에 대한 근거를 제시하지 않았다. 

홍지상 교수 연구팀은 2차원 자성체인 Fe3GaTe2와 비자성체 물질인 WTe2로 이뤄진 이종접합 구조를 활용해 상온에서 전력소모를 획기적으로 낮출 수 있는 가능성을 이론적으로 제시했다.

연구팀은 제일원리 방법(임의의 매개변수 없이 슈뢰딩거 방정식을 이용해 모든 물리량을 계산하는 방법)을 이용해 WTe2/Fe3GaTe2 구조의 스핀-궤도 토크 효율을 결정하는데 필요한 다양한 물리량을 실재 온도효과까지 고려해 계산했다.

이 결과 새로운 소자는 기존의 탄탈류(Ta) 및 백금(Pt) 기반 소자들과 비교해 상온에서 전력소모량이 10분의 1 정도로 감소함을 확인했다.

홍지상 교수는 “고효율·저전력·초스피드 작동 메모리 소자에 대한 요구가 늘어난 가운데, 이번 연구결과가 관련 소자 개발 연구의 이론적 근거를 제시할 것으로 기대된다”며 “실험적으로 합성이 용이한 물질을 대상으로 고효율 저전력 소자 가능성을 확인하는 연구를 이어나갈 것”이라고 밝혔다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중견연구자 지원사업으로 수행된 이번 연구성과는 물리 분야 국제학술지 ‘머티리얼즈 투데이 피직스(Materials Today Physics)’에 이달 4일 게재됐다.