전자의 '스핀'이라는 성질을 정보 저장과 제어에 이용하는 스핀트로닉스에서 비효율 요인으로 인식돼온 '스핀 손실'(spin loss)을 자성 제어 동력으로 활용해 소자 효율을 높일 수 있는 기술이 개발됐습니다.

한국과학기술연구원(KIST) 반도체기술연구단 한동수 박사 연구팀은 DGIST 홍정일 교수, 연세대 김경환 교수 연구팀과 공동으로 자성체 내부의 자화 방향을 외부 자극 없이 스핀 손실을 이용해 전환하는 새로운 물리 현상을 규명했다고 밝혔습니다.

연구팀은 "이 연구는 '스핀 손실=비효율'이라는 기존 인식을 뒤집고 스핀 손실을 소자 동작 구동원으로 전환하는 새 패러다임을 제시한다"며 "스핀트로닉스 소자의 효율을 크게 향상할 수 있는 새 접근법이라는 점에서 의미가 크다"고 말했습니다.

이 연구는 과학 저널 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 게재됐습니다.

스핀트로닉스는 기존 반도체보다 전력 소모가 적고 비휘발성이 뛰어나 초저전력 메모리, 뉴로모픽 칩, 확률 계산용 연산 소자 등 차세대 정보 처리 기술의 핵심 기반으로 주목받고 있습니다. 스핀트로닉스에서는 자성체의 내부 자화 방향을 바꾸어 정보를 저장하거나 연산을 수행한다. 자화 방향이 위쪽이면 '1', 아래쪽이면 '0'으로 인식하는 방식입니다.

하지만 자성체의 자화 방향을 바꾸려면 강한 스핀 전류를 주입해야 해 많은 에너지가 소모되고, 이 과정에서 일부 스핀이 자성체에 도달하지 못하고 소멸하는 스핀 손실이 발생하게 됩니다. 이 스핀 손실은 스핀트로닉스에서 전력 낭비와 효율 저하 요인으로 여겨져 왔으며, 연구자들은 그동안 스핀 손실을 줄이기 위해 소재 설계와 공정 개선에 집중해 왔지만 근본적인 한계가 있었습니다.

연구팀은 이 연구에서 스핀 손실이 오히려 자성체 내부 자화 방향을 바꾸는 '역작용'을 한다는 사실을 밝혀내고, 스핀 손실이 클수록 자화 전환에 필요한 전력이 줄어드는 역설적 현상을 입증했습니다.

스핀 손실의 '역작용'으로 자성체 내부에서 자발적인 자화 전환이 유도되는 것으로 나타났으며, 이를 소자에 적용하면 에너지 효율이 기존 대비 최대 3배 이상 높아지는 것으로 확인됐습니다.

연구팀은 이 기술은 기존 반도체 공정과 호환되는 소자 구조를 채택해 양산 가능성이 높고 소형화·고집적화에도 유리하다며 AI반도체, 초저전력 메모리, 뉴로모픽 컴퓨팅, 확률 기반 연산소자 등 다양한 분야의 응용이 가능하다고 말했습니다.

한동수 박사는 "그동안 스핀트로닉스 분야에서는 스핀 손실을 줄이는 데만 집중했지만, 이 연구는 그 손실을 에너지로 활용해 자화 전환을 유도하는 새 방향을 제시했다"며 "AI 시대에 필수적인 초소형·초저전력 AI 반도체 소자 개발을 적극 추진할 계획"이라고 밝혔습니다.


TJB 대전방송