울산과학기술원(UNIST)이 교자성체 소재를 이용해 저전력 스핀 반도체 소자 개발의 핵심 기술을 확보했다. 복잡한 구조나 강한 자기장 없이도 전류를 스위칭할 수 있는 기술이다.

유정우 UNIST 신소재공학과 교수와 손창희 물리학과 교수 연구팀은 산화루테늄 교자성 소재 내부에서 스핀-전하 변환을 가역적으로 제어할 수 있음을 실험으로 입증했다고 10일 밝혔다.

산화루테늄은 최근 반도체 분야에서 강자성과 반강자성 소재의 장점을 결합한 제3의 자성 소재인 '교자성체'로 주목받는 물질이다. 이론상 기존 반도체 소자의 속도 한계를 뛰어넘고 에너지 효율을 극대화하는 스핀 반도체 제작이 가능하다. 다만 자성 소재로 반도체와 같은 전자 소자를 만들려면 '스핀' 신호를 회로가 인식할 수 있는 전류 신호로 바꾸는 과정이 필수인데, 교자성 소재의 경우 확립된 제어 기술이 부족했다.

연구팀은 이 물질 내부의 스핀 정렬 방향인 네엘 벡터(Neel vector)를 조절하면 스핀이 전하 전류로 바뀌는 변환 방향이 정반대로 뒤집힌다는 사실을 실험으로 증명했다. 물질 내부의 자성 정렬 상태를 180도 회전시키는 것만으로도 출력되는 전기 신호의 플러스(+)와 마이너스(-)를 가역적으로 바꿀 수 있다는 뜻이다.

이는 외부 전력 공급 없이도 정보가 유지되는 '비휘발성' 메모리 소자의 '0'과 '1' 상태를 명확하게 구분하고 제어할 수 있는 원리다.

기존에는 이런 신호 변환 제어를 위해 복잡한 다층 구조를 쌓거나 강한 외부 자기장을 활용하는 방식이 주로 쓰였다.

연구팀은 자체 고안한 소자를 제작해 이를 입증했다. 이산화타이타늄(TiO₂) 기판에 산화루테늄(RuO₂), 코발트철붕소(CoFeB) 박막을 차례로 적층한 소자를 만들고, 코발트철붕소 박막에서 온도 차이에 따라 생성된 스핀 신호를 산화루테늄에 주입하는 실험을 진행했다. 스핀 신호가 산화루테늄에서 전하 신호로 변환되는데, 이 신호를 측정한 것이다.

공동 연구팀은 "교자성체에서 스핀 신호를 가역적으로 조절할 수 있다는 점을 실험으로 확인한 연구"라며 "이런 원리는 스핀 기반 차세대 논리 소자나 메모리 소자 설계에 쓰일 수 있을 것"이라고 설명했다.

이번 연구는 2024년 9월부터 과학기술정보통신부의 '한계 도전 R&D 프로젝트' 지원을 받아 진행됐다. 이 프로젝트는 기존 방식으로는 실현하기 어려운 고난도·고파급 기초과학 연구를 빠르게 추진할 수 있도록 설계된 한국의 혁신적 연구 개발 시스템이다.

연구팀은 이런 지원을 바탕으로 소재 합성부터 소자 제작과 측정, 논문 발표에 이르는 전 과정을 단 1년여 만에 완수했다.

한계도전전략센터의 김동호 책임PM은 "이번 성과는 실패를 두려워하지 않고 과감하게 도전한 혁신 도전형 연구의 대표적 사례로, 앞으로 이 기술이 우리나라 반도체 산업의 핵심 전략 기술로 발전할 수 있도록 강력한 지원을 지속해 나갈 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 정현정 UNIST 신소재공학과 연구원과 소기목 물리학과 연구원이 제1저자로 참여했으며 나노과학·재료 분야 국제적 권위지인 나노 레터스(Nano Letters)에 11월 25일 게재됐다.