금속 없이 반쪽금속성 갖는 새 물질 제시

홍지상 교수팀, 스핀소자 전류주입 문제 극복 길 열어

홍지상 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 금속 없이 반쪽금속성을 띠는 물질을 이론적으로 제시했다.

한국연구재단은 홍지상 부경대학교 물리학과 교수와 하쉬미 박사과정 연구원 등이 금속성분이 없으면서도 전자 두 개의 스핀성분 중 한쪽 성분만이 전류에 기여할 수 있는 금속물질의 성질인 반쪽금속성을 갖는 새로운 물질을 이론적으로 제시했다고 1일 밝혔다.

반쪽금속성은 외부온도가 올라가도 큰 자기저항 값을 가져 전이금속 물질에 비해 소자 등에 활용하기가 유리하다.

연구는 전자가 가진 전하의 성질과 양자역학적 물리량인 스핀자유도를 이용해 초고밀도, 초고속의 소자를 구현하려는 스핀트로닉스 분야 전이금속을 이용한 메모리 소자와 트랜지스터 개발의 난제 해결에 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업 지원으로 수행돼 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지 온라인판 지난달 14일자에 게재됐다.

기존 전이금속을 이용한 전기소자가 갖는 전류주입의 기술적 한계를 극복할 반쪽금속성 물질을 찾으려는 연구가 활발한 가운데 연구팀은 금속원소가 없지만 반쪽금속성을 띠는 것으로 알려진 카본나이트라이드에 보론나이트라이드를 혼합하고 반쪽금속성을 띠는 가장 안정된 구조를 계산해냈다.

이처럼 가벼운 물질에서 자기장 등 외부요인 없이 반쪽금속성이 구현되는 경우는 거의 드물어 향후 이를 이용한 후속연구가 활발해질 것으로 기대된다.

반쪽금속성 물질은 한 가지 스핀의 전류만 만들어 소자구동을 위해 전류를 주입할 때 계면구조에 크게 영향을 받지 않아 기존 물질에 비해 유리하다.

특히 두개의 자성층간 상대적인 자기정렬상태의 변화에 따라 자기저항의 값이 달라지는 스핀밸브구조에서 자기저항 특성이 커질 수 있어 자성층간의 자기적 정렬상태가 평행한지 아니면 반평행인지에 따라 전류의 흐름을 방해하는 자기저항 메모리 소자로의 활용도 가능할 것으로 예상하고 있다.

홍 교수는“가벼울수록 전자가 원래의 스핀상태를 잃는데 걸리는 스핀이완 시간이 길어져 스핀정보를 더 오래 유지할 수 있고 결과적으로 스핀소자의 정보 안정성을 높이는데 도움이 되는데 이번에 제시한 물질은 기존 전이금속 보다 가벼운 물질이어서 특히 의미가 있다”고 밝혔다.