최근 액정을 접거나 말아 올리는 전자 기기가 등장하고 있는 가운데 유연하면서 초저전력, 고속의 메모리 개발 가능성을 가진 신자성 물질의 구조가 세계 최초로 규명돼 차세대 자성 메모리 개발에 중요한 단서로 주목되고 있다.

울산대학교 물리학과 김정대(45)․김상훈(40) 교수․석박사통합과정 찐티리(Trinh Thi Ly․29) 연구팀은 성균관대 이창구 교수, 한국기초과학지원연구원 박정민 박사, 한국원자력연구원 김규 박사와 함께 차세대 자성 메모리로 응용될 ‘Fe5GeTe2’ 물질이 자석으로 알려진 일반 자성체와는 달리, 육각형의 원자 배열과 나선형 자성의 특성을 가진다는 사실을 규명했다. 나선형 자성 특성과 육각형 모양의 원자 배열을 가져야 초저전력, 고속의 메모리 개발이 가능해진다는 점에서 이번 연구가 주목을 끌고 있다.

이번에 발견된 신자성 물질은 2차원 형태로 제작이 가능해 폴더블 화면과 같은 잘 구부러지는 전자소자에 적용할 수 있고, 또 상온에서 자석 성질을 가지고 있는 유일한 물질로서 새로운 개념의 자성 메모리 소자로 응용될 수 있다.

연구 결과는 재료과학분야 세계적 학술지인 ≪어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF:16.836)≫ 4월호에 게재됐다.

자성 메모리 소자는 자화 방향을 이용해 정보를 읽고 쓰며 저장한다. 지금까지 일반 자성체를 이용한 소자의 경우 코발트․철․니켈의 합금 소재를 주로 사용했는데, 이 물질은 자기 방향 조절에 많은 전력을 필요로 하고 발열이 심해 차세대 자성 메모리 소자로는 한계를 보였다.

이러한 문제점을 극복하는 대체 물질로 상온에서 자석의 특성을 지닐 뿐만 아니라 높은 전기 전도도를 가진 ‘Fe5GeTe2’가 지난 2016년 발견되었지만, 원자 배열과 자성 특성의 원인이 정확하게 밝혀지지 않아 자성 메모리 소자로 응용할 수가 없었다.

이에 따라 연구팀은 국내 연구진들이 규명한 ‘Fe5GeTe2’의 나선형 자성 특성에 더해 해당 물질이 육각형 모양의 독특한 원자 배열을 가진다는 것을 주사 터널링 현미경 연구로 발견했다.

이와 함께 연구팀은 신자성 물질이 갖는 육각형 원자배열로 인해 자석의 N극과 S극이 원자수준에서 꼬여있는, 나선형 구조를 갖는다는 사실도 밝혔다.

김정대 교수는 “이번 발견으로 기술적 한계에 직면한 실리콘 기반 반도체 메모리를 뛰어넘는 새로운 자성 메모리 소자 개발이 기대된다”며 “추후 연구에서 해당 물질의 특성을 이용해 상온에서 작동하는 미래 메모리 소자를 개발할 것”이라고 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단, 삼성미래기술육성센터, 국가과학기술연구회, 한국원자력연구원의 지원을 받아 이루어졌다.
 

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