60년 만에 증명!
스핀을 이용한 초저전력, 초고속, 대용량 메모리 소자개발 박차
# 반도체 기반 전자소자는 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중, 양자역학적 성질인 스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어해 오늘날의 발전을 이루어 왔다. 그러나 소자 자체의 메모리 저장 한계, 소형화에 따른 열 방출 한계 등 물리적 한계에 직면한 상황이다. 초저전력, 초고속, 대용량 등 차세대 메모리 소자 구현에 사용될 스핀 연구가 빠르게 부상하고 있다.
한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 양자기술연구소 양자스핀팀은 1960년대 이론으로만 소개됐던 왼손 방향으로 회전하는 스핀파를 세계최초로 증명했다. 스핀을 이용한 차세대 소자개발에 새로운 지평선이 열릴 것으로 전망된다.
KRISS 양자기술연구소 양자스핀팀(김창수 선임연구원, 황찬용 책임연구원)은 한국과학기술원(KAIST) 이수길 박사, 김갑진 교수, 김세권 교수와 공동으로 전이금속 코발트(Co)와 희토류 가돌리늄(Gd)이 일정 비율로 혼합된 CoGd 준강자성체*에서 왼손 방향의 세차운동**을 하는 스핀파를 측정하고 이에 기반한 물리 현상들을 새롭게 밝혀냈다.
*준강자성체(ferrimagnet): 서로 다른 크기의 반평행한 자화들로 이루어진 자성체
**세차운동(precession): 회전하는 천체나 물체의 회전축 자체가 도는 형태의 운동이나 그 현상
스핀(spin)과 일렉트로닉스(electronics)의 합성어인 스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술로, 기존 전자소자의 기술적 한계를 극복할 수 있을 것으로 전망되고 있다.
스핀들의 집단적 움직임을 나타내는 스핀파의 경우, 작동 주파수가 매우 높은 영역에 분포하고 전력의 소비가 매우 적으므로 초고속 저전력 소자에 적용할 수 있다.
스핀트로닉스를 실현하려면 전자의 스핀 방향을 자유롭게 제어하여 정보를 저장할 수 있어야 한다. 그러나 스핀을 결정하는 물리적 원인과 제어 방법, 스핀의 회전 방향 분석 등 복합적이고 난도 높은 연구가 필요하다.
주변에서 흔히 볼 수 있는 자석을 잘게 쪼개면, 전자스핀 하나에 해당하는 작은 자석까지 나눌 수 있다. 이 작은 자석은 자기장이 주어지게 되면 오른손 방향으로 세차운동을 하는 성질을 갖는다.
그러나 반평행하게 정렬된 코발트와 가돌리늄의 단위 자화는 회전 관성이 더 큰 가돌리늄의 자화 때문에 전체적으로 왼손 방향으로 회전하는 성질을 가질 수 있다. 1960년대에 준강자성체의 세차운동에 대한 이론들이 발표되면서 왼손 방향 운동이 예측됐지만, 현재까지 미시적인 수준에서의 실험으로는 관찰되지 못했던 현상이다.
공동 연구팀은 빛과 스핀파 사이의 충돌을 이용하는 기법인 브릴루앙 광산란법(Brillouin light scattering)을 사용해 이론을 실험으로 증명했다. CoGd 준강자성체에 빛을 쪼아 스핀파와 충돌시킨 후, 되돌아온 빛을 분석해 스핀파가 가진 에너지와 운동량을 알아낸 것이다.
이번 연구에서는 수십 피코초(ps, 1,000억분의 1초) 영역에서 왼손 방향 운동을 처음으로 관찰했으며, 준강자성체의 자화보상온도에서 스핀파 에너지가 0 근처로 수렴하고 자기장의 증가에 따라 각운동량 보상온도가 같이 증가하는 현상 등도 새롭게 밝혀냈다.
KRISS 황찬용 책임연구원은 “지금까지는 오른쪽으로 도는 자화를 기반으로만 이론이 제시되고 실험이 진행됐다”라며, “스핀파의 왼손 방향 운동을 최초로 규명함으로써 차세대 스핀트로닉스 소자개발에 새로운 지평선이 열릴 것으로 기대된다”라고 밝혔다.
국가과학기술연구회 창의형융합연구사업(CAP), 한국연구재단 미래반도체 사업, 미래소재 디스커버리 사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 재료과학분야의 세계적 학술지인 네이처 머티리얼즈(Nature Materials–IF: 38.887)에 6월 30일 온라인 게재됐다.
연구성과 추가 설명
♧ 용어 설명
- 스핀(spin)
전자가 자기장에 대하여 회전운동을 하는 자기모멘트회전(magnetic momentum)으로 스핀은 전하이동과는 다르게 이동이 아닌 제자리에서 회전하는 것이다. 스핀은 전자가 이동하며 전류를 흐르게 하는 개념이 아니라 자기장에 반응하여 일렬로 정렬되는 현상인데, 이것은 마치 자석이 N극과 S극을 구분하며 정렬되는 원리이기도 하다. 전자의 이동을 제어하는 메모리반도체(플래쉬메모리)와는 다르게 자석의 이동을 제어하는 하드디스크의 원리와도 유사하다.
- 스핀파(spin wave)
나노미터 크기의 작은 자석(스핀)들이 집단으로 움직여 만들어낸 파형
- 스핀트로닉스(spintronics)
‘스핀(spin)’과 ‘일렉트로닉스(electronics)’의 합성이다. 스핀을 이용해 차세대 메모리 등의 전자소자를 개발하는 분야를 스핀트로닉스(spintronics)라 한다. 즉, 전자의 스핀이 갖는 두 방향의 자유도를 이용하여 0과 1의 정보를 처리하거나 저장한다. 기존의 반도체 기반 전자소자 기술은 전자의 두 가지 특성인 전하와 스핀 중에서 양자역학적인 스핀을 고려하지 않고 전하만을 전기장으로 제어한다. 스핀트로닉스 기술은 전자의 전하와 스핀을 동시에 제어하는 기술이다. 이 기술은 기존 전자소자의 기술적 한계를 극복할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 스핀전자 소자는 스핀의 고유특성인 비휘발성(non-volatility)뿐만 아니라 초고속, 초저전력 및 초고주파 등의 특성을 갖기 때문에 차세대 전자소자로 사용될 가능성이 크다.
- 자화(magnetization)
자화는 자성을 갖는 물질 내에서 자기 쌍극자 모멘트(magnetic dipole moment)의 밀도로 정의되어 있다. 자화 값이 크다는 것은 동일한 체적 내에서 물질이 자화되는 정도가 크다는 것을 의미한다.
- 준강자성체 (ferrimagnet)
서로 다른 크기의 반평행한 자화들로 이루어진 자성체
- 회전관성
회전을 유지하려는 성질
- 자화보상온도
준강자성체의 총자화가 0이 되는 온도
- 각운동량보상온도
준강자성체의 총각운동량이 0이 되는 온도
♧연구성과 이미지 및 상세 설명
▲ 강자성체와 CoGd 준강자성체 내부에서 자화의 오른손 및 왼손 방향 회전 모식도(좌), 스핀파와 브릴루앙 산란 측정 모식도(우)
· 브릴루앙 광산란법(광산란 분광법)
- 빛이 물질에 쬐어지면 빛과 물질의 상호작용으로 인해 산란광이 발생한다. 브릴루앙 산란은 물질 내 존재하는 진동 모드와의 상호작용을 통해 입사광의 진동수(내지 파장)가 변하며 산란되는 현상이다. 특히 브릴루앙 광산란은 물질 내 음향파 혹은 음향 포논(phonon)과의 상호작용을 통해 빛이 산란되므로 산란광을 분석함으로써 음향파의 속도, 즉 음속도를 구할 수 있다. 이를 통해 근본적인 물성 중 하나인 탄성계수를 얻을 수 있다. 음속도나 탄성계수는 온도나 압력 등 열역학적 변수에 민감하게 의존할 뿐 아니라 물질의 상전이 및 조성에 따라 변화를 보이기 때문에 브릴루앙 분광법은 응집물질의 상전이 거동을 연구하는 주요한 수단 중 하나로 활용돼왔다.
▲ 자성체의 왼쪽 세차운동 모식도(좌), 자성체의 오른쪽 세차운동 모식도(우)
* 이번 성과 무엇이 다른가?
자화의 세차운동은 지금까지 오른손 방향의 운동만이 관찰됐다. 준강자성체의 왼손 방향 운동은 오래전부터 이론으로 예견돼왔지만, 미시적인 영역에서 스핀파의 왼손 방향 세차운동을 측정한 것은 세계최초다.
* 어디에 쓸 수 있나?
1. 초고속 저전력 소자개발
스핀파의 경우 작동 주파수가 수 GHz에서 THz에 이르기까지 매우 높은 영역에 분포하고 전력의 소비가 매우 작으므로 초고속 저전력 소자에 적용이 가능하다. 스핀파의 경우 우리에게 친숙한 웨이브(wave)인 빛을 생각하면 응용의 가능성을 찾을 수 있다. 서로 다른 방향으로 세차운동을 하는 스핀들이 만들어 내는 스핀파는 그 위상이 다르므로 이들 두 스핀파의 동시 입사 등을 제어하게 될 경우, 보통의 웨이브를 제어하면서 얻을 수 있는 특성을 얻을 수 있게 된다. 또한, 스핀의 회전 방향 분석을 통한 추가 연구를 통해 스핀의 세차운동과 관련된 물리적 원인과 제어 방법을 알아낸다면, 전자의 스핀 방향을 자유롭게 제어할 수도 있으며 이를 활용하여 정보를 저장할 수 있다.
2. 스핀 소자의 다양한 영역에서 응용 가능
준강자성체의 스핀파는 자화보상온도에서 0 근처의 에너지를, 각운동량보상운도에서는 수십 GHz의 영역까지 쉽게 도달하기 때문에 스핀소자의 다양한 영역에서 응용 가능하다. 이러한 성질을 응용하게 되면 현재 반도체 전자소자의 가장 큰 문제인 초고속 작동 및 저전력 소모라는 두 가지의 해결책을 동시에 제공하는 것이 가능해진다.
* 연구성과 에피소드
처음에 변온실험을 했을 때, 새벽까지 실험하다 예상치 못한 왼손 방향 회전이 측정되자 실수로 장비를 잘 못 다루어 이상한 데이터가 나온 줄 알았습니다. 혼자 스트레스를 받아 씩씩대며 집으로 돌아갔는데요. 꾸벅꾸벅 졸면서 새벽까지 진행했던 실험의 데이터가 날아갔다고 여겨져서 속이 많이 상했기 때문입니다. 다음날 장비를 모두 점검하고 다시 측정했습니다. 전날과 같은 결과가 나오자 그때부터 어떤 원인 때문에 이런 현상이 나타날 수 있을지를 고민했던 기억이 납니다. KRISS 양자기술연구소에서 스핀동역학 측정기술에 역점을 두고 추진해온 기본사업의 가장 큰 결과물로 국내는 물론 국외 스핀파 분야의 연구를 선도하였다는데 자긍심을 느낍니다.
□ 논문 및 지원사업 관련 정보
1. 논문명 및 주소 :
“Distinct handedness of spin wave across the compensation temperatures of ferrimagnets” Nature Materials, 2020.6.29. 16:00 (London time, Korea time-2020.6.30. 00:00) (IF: 38.887)
2. 지원사업 :
- 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업(CAP)
- 한국연구재단 미래반도체 사업, 한국연구재단 미래소재 디스커버리 사업
연구성과 사진자료
▲ KRISS 양자기술연구소 양자스핀팀이 브릴루앙 광산란 실험을 하고 있다.
▲ KRISS 양자기술연구소 양자스핀팀이 왼손 방향 세차운동을 하는 스핀파를 분석하고 있다.
▲ KRISS 양자기술연구소 황찬용 책임연구원이 연구성과를 설명하고 있다.
▲ KRISS 양자기술연구소 황찬용 책임연구원(좌), 김창수 선임연구원(우)
연구팀 프로필
황찬용 책임연구원
1. 인적사항
· 성명 : 황찬용
· 소속 : 한국표준과학연구원 양자기술연구소 양자스핀팀
· 직위 : 책임연구원
· 전화 : 042-868-5392
· e-mail : cyhwang@kriss.re.kr
2. 학력
· 서울대학교 물리학 학사 (1985)
· Penn. State University 물리학과 이학석사 (1987)
· U. Wisconsin 물리학과 이학박사 (1990)
3. 경력사항
· 1991 – 현재, 한국표준과학연구원
· 1995, IBM Korea fellow
· 1997 – 1998, Oak Ridge National Laboratory 방문연구원
4. 수상실적
· 2012 – 2015, KRISS 우대연구원
· 2012, 이달의 크리스인상
· 2015 – 2017, KRISS 우대연구원
· 2015, 이달의 크리스인상
5. 전문 분야 정보
· 나노 스케일 자성현상 및 자성소재 물성분석
· 그래핀/이차원 물질계 응용을 위한 성장공정 및 특성분석
6. 발표논문 및 특허
· “Room-temperature magnetic order on zigzag edges of narrow graphene nanoribbons.” Nature (2014) (IF: 41.45) 외 SCI급 170편
· "자성구조체의 자구벽 제어 방법 및 이를 이용한 자기 메모리 소자” 등 국내외 특허 다수
김창수 선임연구원
1. 인적사항
· 성명 : 김창수
· 소속 : 한국표준과학연구원 양자기술연구소 양자스핀팀
· 직위 : 선임연구원
· 전화 : 042-868-5477
· e-mail : changsoo.kim@kriss.re.kr
2. 학력
· 한국과학기술원 물리학과 학사 (2005)
· 한국과학기술원 물리학과 석박사 통합 (2013)
3. 경력사항
· 2020.06 – 현재, 한국표준과학연구원
· 2019.08 – 2020.05, 한국과학기술원 자연과학연구소 박사후연수원
· 2019.01 – 2019.07 광주과학기술원 고등광기술연구소 박사후연수원
· 2016.01 – 2018.12 한국표준과학연구원 산업측정표준본부 박사후연수원
· 2013.03 – 2015.12 한국기초과학지원연구원 물성과학부 박사후연수원
4. 전문 분야 정보
· 3d 전이금속 산화물 스핀 구조 연구
· 자기공명과 스핀파를 이용한 spintronics 소재 연구
5. 발표논문 및 특허
· “Evaluation Method for Fieldlike-Torque Efficiency by Modulation of the Resonance Field” Physical Review Applied (2018) (IF: 4.532) 외 SCI급 30여 편
