대구경북과학기술원(DGIST·총장 신성철)는 신물질과학전공 유천열 교수 연구팀이 중금속과 강한 자성체 사이의 계면에서 스핀 소용돌이를 만들어 내는 힘인 비대칭 교환 상호작용(DMI)을 정량적으로 측정하는 새로운 방법을 제시했다고 12일 발표했다.

이를 통해 저가의 장비를 이용, 스핀 기반 차세대 메모리 소자 개발과 연구에 활용할 수 있을 것으로 전망된다.

컴퓨터, 스마트폰 등 기존 전자기기에 데이터 저장 장치로 사용하는 메모리 소자는 집적 밀도와 발열 등에서 한계에 달해 저전력, 고밀도, 비휘발성의 스핀 기반 메모리가 차세대 메모리 소자로 각광받고 있다.

차세대 메모리 소자의 성능은 스핀-궤도 돌림힘(SOT)의 일종인 비대칭 교환 상호작용(DMI)에 영향을 받는다.

자성 물질의 스핀은 평소 한 방향으로 나란히 배열돼 있지만 DMI 값이 일정 값 이상으로 커지면서 스커미온이라는 작은 소용돌이 모양으로 재배열된다.

자성을 이용한 메모리의 저장 능력과 속도는 메모리 소자의 크기와 이동 속도에 따라 결정되는데 스커미온은 그 크기가 매우 작고 이동 속도도 매우 빨라 소용돌이 방향을 디지털 신호화하면 초고밀도, 고속력 메모리 소자 개발이 가능하다.

하지만 스커미온을 만들기 위한 DMI 값은 고가의 특수한 실험 장비를 사용하거나 매우 복잡한 실험과 해석 과정을 거쳐야만 측정이 가능해 메모리 소개 개발 연구에 걸림돌이 돼 왔다.

유천열 교수 연구팀은 삼각형과 같이 비대칭적인 모양을 갖는 시료에서 가장자리의 자화 방향의 기울어짐이 DMI 값과 관련있다는 사실을 이용해 DMI 값을 손쉽게 측정할 수 있는 방법을 개발했다.

DMI가 존재하는 시료의 가장자리에서는 DMI에 의해서 자화 상태의 방향이 약간 기울어지는데 시료를 삼각형과 같은 비대칭적인 구조로 제작해 자화 방향의 기울어지는 정도를 측정하고 그 결과를 이용해 DMI 값을 구할 수 있는 방법을 새롭게 제시했다.

자화 방향의 기술어진 정도는 대부분의 실험실에서 보유하고 있는 장비들을 이용해 측정이 가능하다는 점이 특징이다.
연구팀은 이 측정 방법을 이용할 경우 시간과 비용을 크게 절감하고 연구자들이 용이하게 이용할 수 있어 DMI 제어기술 개발 및 스커미온 기반 스핀 메모리 소자 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다.

유천열 DGIST 신물질과학전공 교수는 "새롭게 제시한 방법을 사용하면 저가의 장비를 이용해 DMI 값을 정확히 측정할 수 있다"며 "향후 기존 메모리에 비해 저장 용량이 수십에서 수백배 크고, 동작 속도도 수천배 빠른 제2세대 스핀 기반 메모리 소자 개발에 핵심적인 기술이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 미국 화학회에서 발행하는 나노 분야 세계적 권위의 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters) 온라인판 지난달 27일자에 게재됐다.

대구=김덕용 기자 sv101@kukinews.com