▲ 네엘 벡터 방향에 따라 뒤집히는 교자성 스핀–전하 변환 신호 / (a) RuO₂ (100) 박막에서 ASSE/IASSE의 개략도. ASSE와 IASSE는 교자성 소재에서 일어나는 스핀-전하 변환 과정이다. ASSE에서는 [010] 방향의 전하 전류가 [100] 방향의 스핀 전류를 생성하며, 이 스핀 전류는 [001] 방향의 스핀 편극을 가진다. 반대로 IASSE에서는 [001] 방향으로 편극된 스핀 전류가 [100] 방향으로 흐를 때 [010] 방향의 전하 전류를 유도한다. (b) 네엘 벡터 방향이 [00-1]로 반전되었을 때 RuO₂ (100) 박막에서 나타나는 ASSE/IASSE의 개략도. 이 경우 IASSE에서는 [001] 방향으로 편극된 스핀 전류가 [100] 방향으로 흐를 때 [0-10] 방향의 전하 전류를 유도한다. (c, d) Néel 벡터가 각각 [001] 방향과 [00-1] 방향일 때의 IASSE를 자기장에 대한 함수로 나타낸 그래프.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

강자성과 반강자성의 장점을 결합한 ‘교자성(交磁性) 소재’에서 전류 신호의 방향을 자유롭게 뒤집을 수 있는 핵심 원리가 국내 연구진에 의해 규명됐다. 복잡한 소자 구조나 강한 외부 자기장 없이도 신호 제어가 가능해, 초고속·초저전력 스핀트로닉스 반도체로의 응용 가능성이 크게 열렸다는 평가다.

UNIST는 신소재공학과 유정우 교수와 물리학과 손창희 교수 공동연구팀이 산화루테늄(RuO₂) 교자성 소재에서 스핀-전하 변환을 가역적으로 제어하는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 성과는 차세대 스핀 반도체 구현의 핵심 난제로 꼽혀온 신호 제어 문제를 실험적으로 해결한 사례다.

교자성체는 최근 반도체 분야에서 ‘제3의 자성 소재’로 주목받고 있다. 강자성체처럼 외부 자기장에 민감하지 않으면서도, 반강자성체가 지닌 초고속 동작과 높은 안정성을 동시에 갖출 수 있다는 이론적 장점 때문이다. 하지만 자성 정보를 전자 회로가 인식할 수 있는 전류 신호로 바꾸는 ‘스핀-전하 변환’을 어떻게 안정적으로 제어할 것인지는 미해결 과제로 남아 있었다.

연구팀은 산화루테늄 내부에서 스핀 정렬 방향을 나타내는 네엘 벡터(Néel vector)를 조절하면, 스핀 신호가 전하 전류로 변환될 때 그 극성이 정반대로 뒤집힌다는 사실을 실험으로 입증했다. 물질 내부의 자성 정렬 상태를 180도 회전시키는 것만으로 출력 신호의 플러스(+)와 마이너스(-)를 가역적으로 전환할 수 있음을 확인한 것이다. 이는 외부 전원이 차단돼도 정보가 유지되는 비휘발성 메모리에서 ‘0’과 ‘1’을 명확히 구분·제어할 수 있는 물리적 기반을 제시한다.

이번 연구의 또 다른 의미는 구현 방식의 단순성에 있다. 기존에는 스핀 신호 제어를 위해 다층 구조를 복잡하게 쌓거나 강한 외부 자기장을 인가해야 했지만, 연구팀은 자체 설계한 소자 구조만으로 이를 구현했다. 이산화타이타늄(TiO₂) 기판 위에 산화루테늄과 코발트철붕소(CoFeB) 박막을 적층한 소자에서, 온도 차이로 생성된 스핀 신호를 산화루테늄에 주입하고 전하 신호로 변환되는 과정을 정밀 측정해 가역적 제어를 확인했다.

공동연구팀은 “교자성체에서 스핀 신호를 자유롭게 뒤집을 수 있음을 실험으로 증명한 연구”라며 “이번 원리는 스핀 기반 논리 소자와 메모리 소자 설계에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 UNIST 신소재공학과 정현정 연구원(현 GIST 이노코어 박사후연구원)과 물리학과 소기목 연구원이 제 1저자로 참여했으며, 성과는 나노과학·재료 분야 국제 학술지 나노 레터스(Nano Letters) 11월 25일 자에 게재됐다.

이 사업을 담당하는 한계도전전략센터의 김동호 책임PM(프로그램 매니저)은 “이번 성과는 실패를 두려워하지 않고 과감하게 도전한 혁신도전형 연구의 대표적 사례로, 향후 이 기술이 우리나라 반도체 산업의 핵심 전략기술로 발전할 수 있도록 강력한 지원을 지속해 나갈 것”이라고 밝혔다.

논문명은 Reversible Spin Splitting Effect in Altermagnetic RuO2 Thin Films이다.