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국내 연구진이 교자성체 소재 안에서 스핀의 정렬된 방향을 바꿔 변환 신호 방향을 뒤집는 데 성공했다. 복잡한 구조나 강한 자기장 없이도 전류를 스위칭할 수 있는 저전력 스핀 반도체 소자 개발의 물꼬를 텄다는 평가다. UNIST 신소재공학과 유정우 교수와 물리학과 손창희 교수팀은 산화루테늄 교자성 소재 안에서 스핀-전하 변환을 가역적으로 제어할 수 있음을 실험적으로 입증했다고 10일 밝혔다. 산화루테늄은 최근 반도체 분야에서 강자성과 반강자성 소재의 장점을 갖춘 제3의 자성 소재인 ‘교자성체’로 분류되며 관심을 받아온 물질이다. 이 물질은 이론적으로 기존 반도체 소자의 속도 한계를 넘고 에너지 효율을 극대화하는 스핀 반도체를 만들 수 있다. 하지만 자성 소재로 반도체와 같은 전자 소자를 만들려면 ‘스핀’ 신호를 회로가 인식할 수 있는 전류 신호로 바꾸는 과정(스핀-전하 변환)이 필수인데, 교자성 소재의 경우 아직 확립된 제어 기술이 부족했다. 연구팀은 이 물질 내부의 스핀 정렬 방향인 네엘 벡터(Néel vector)를 조절하면, 스핀이 전하 전류로 바뀌는 변환 방향(극성)이 정반대로 뒤집힌다는 사실을 실험적으로 입증했다. 즉 물질 내부의 자성 정렬 상태를 180도 회전시키는 것만으로도 출력되는 전기 신호의 플러스(+)와 마이너스(-)를 가역적으로 바꿀 수 있음을 증명한 것이다. 이는 외부 전력 공급 없이도 정보가 유지되는 ‘비휘발성’ 메모리 소자의 ‘0’과 ‘1’ 상태를 명확하게 구분하고 제어할 수 있는 원리다. 기존 기술에서는 이러한 신호 변환을 제어하기 위해 복잡한 다층 구조를 쌓거나 강한 외부 자기장을 활용하는 방식이 주로 사용됐다. 연구팀은 자체적으로 고안한 소자를 제작해 이 같은 사실을 입증했다. 이산화타이타늄 (TiO₂) 기판에 산화루테늄 (RuO₂), 코발트철붕소(CoFeB) 박막을 차례로 적층한 소자를 만들고, 코발트철붕소 박막에서 온도 차이로 인해 생성된 스핀 신호를 산화루테늄에 주입하는 실험을 한 것이다. 스핀 신호가 산화루테늄에서 전하 신호로 변환되는데, 이 신호를 측정했다. 공동연구팀은 “교자성체에서 스핀 신호를 가역적으로 조절할 수 있다는 점을 실험으로 확인한 연구”라며 “이러한 원리는 스핀 기반 차세대 논리 소자나 메모리 소자 설계에 쓰일 수 있을 것”이라고 설명했다. 이번 연구는 2024년 9월부터 과학기술정보통신부의 ‘한계도전 R&D 프로젝트’의 지원을 받아 진행됐다. 이 프로젝트는 기존 방식으로는 실현하기 어려운 고난도·고파급 기초과학 연구를 빠르게 추진할 수 있도록 설계된 한국의 혁신적 연구개발 시스템이다. 연구팀은 이러한 지원을 바탕으로 소재 합성부터 소자 제작과 측정, 논문 발표에 이르는 전 과정을 단 1년여 만에 완수하여 탁월한 성과를 거뒀다. 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. 이번 연구는 UNIST 신소재공학과 정현정 연구원(현 GIST 이노코어 박사후연구원)과 물리학과 소기목 연구원이 제 1저자로 참여했으며, 나노과학·재료 분야 국제적 권위지인 나노 레터스(Nano Letters)에 11월 25일 게재되었다. (논문명: Reversible Spin Splitting Effect in Altermagnetic RuO2 Thin Films) |
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[붙임] 연구결과 개요 |
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1.연구배경 정보처리 기술의 발전과 함께 전자의 전하뿐 아니라 스핀을 활용해 더 빠르고 적은 에너지로 동작하는 소자를 만들고자 하는 움직임이 커지면서, 스핀트로닉스1)가 중요한 연구 분야로 자리 잡았다. 스핀트로닉스에선 스핀을 제어하기 위해 주로 강자성체2)가 사용되지만, 강자성체는 표유 자기장(소자 외부로 새어 나오는 자기장)으로 인해 소자 간 간섭이 심하고 미세 소자에서 안정적인 제어가 어렵다는 한계가 있다. 반강자성체3)의 경우 외부 자기장에 의한 간섭이 적지만 스핀 신호가 약해 실용적 구현에 어렵다. 이러한 상황에서 최근 주목받는 것이 교자성체4)라는 새로운 자성 물질군이다. 교자성체는 강한 스핀 분할(강자성체의 장점)과 적은 간섭(반강자성체의 장점)을 동시에 갖는 독특한 물질로, 효율적인 스핀−전하 변환이 가능해 저전력 고성능 스핀트로닉스 소자 개발에 유리하다. 특히 교자성체의 전자구조로부터 유도되는 교자성 스핀 분할 효과(ASSE)5)는 스핀 편극 방향이 네엘 벡터6) 방향에 의존하는 스핀 전류를 생성할 수 있어 차세대 스핀트로닉스 소자에 매력적인 특성이다. RuO₂는 이론적으로 강한 스핀 분할이 예측된 대표적인 교자성체 후보이며, 차세대 스핀트로닉스 소재로 각광받고 있다. 그러나 RuO₂에서 보고된 ASSE와 역 ASSE(inverse ASSE, IASSE)는 세기와 부호는 실험마다 상반된 결과를 보이는데, 이는 ASSE 신호가 역 스핀 홀 효과(ISHE)7) 신호와 혼합되기 때문으로 여겨진다. 게다가 RuO₂의 교자성 바닥 상태 여부에 대해서는 논쟁이 지속되고 있어, RuO₂에서 ASSE를 명확하게 검증할 실험적 근거가 필요한 상황이다. 2.연구내용 본 연구에서는 RuO₂ 박막에서 나타나는 ASSE를 검증하기 위해, 열적으로 생성된 스핀 전류가 RuO₂ 내부에서 어떻게 전하 신호로 변환되는지를 서로 다른 결정축 조건에서 체계적으로 조사하였다. 이를 통해 RuO₂에서 예측되는 대칭성 기반 스핀 분할 특성이 실험적으로 확인될 가능성을 제시하였다. 단결정 RuO₂ 박막은 TiO₂(100) 기판 위에 펄스 레이저 증착법으로 성장시키고, 엑스선 회절 분석을 통해 결정성을 확인하였다. 이후 광리소그래피와 스퍼터링 공정을 이용해 CoFeB/RuO₂ 이중층 구조를 제작하고, Au 히터를 결합하여 스핀 제벡 효과8) 기반의 스핀 전류를 생성하는 소자를 구현하였다. RuO₂의 [010], [001] 결정축을 따라 측정 기하를 구성하여 IASSE와 ISHE의 기여를 구분할 수 있도록 설계하였다. 스핀 제벡 효과 측정 결과, 스핀 편극 방향과 네엘 벡터의 상대적 배향에 따라 스핀−전하 변환 신호의 크기와 부호가 달라지는 것을 확인하였다. 네엘 벡터와 평행한 조건에서는 IASSE와 ISHE가 함께 관측되었으며, 수직 조건에서는 IASSE가 대칭적으로 억제되어 ISHE만 나타났다. 또한 네엘 벡터 방향을 반전시키면 스핀−전하 변환 신호의 부호가 가역적으로 반전되는 현상이 나타났다. 이러한 결과는 RuO₂에서의 스핀−전하 변환이 결정 대칭성에 민감하게 의존함을 보여주며, ASSE의 방향성 및 가역적 특성을 실험적으로 확인한 것이다. 3.기대효과 본 연구는 RuO₂ 박막에서 네엘 벡터 방향에 따라 IASSE 신호의 극성이 가역적으로 변화함을 관찰함으로써, RuO₂가 예측된 교자성 특성과 부합하는 스핀−전하 변환 거동을 보일 수 있음을 제시하였다. 이러한 결과는 RuO₂가 표유 자기장 없이도 방향 의존적 스핀 분할을 활용할 수 있는 물질임을 시사하며, 기존과 다른 스핀트로닉스 동작 방식의 가능성을 보여준다. 또한 결정축 조건과 Néel 벡터 반전을 이용해 IASSE와 ISHE의 상대적 기여를 분리한 것은, 외부 조건이나 박막 배향에 따라 스핀−전하 변환이 조절될 수 있음을 실험적으로 확인한 것이다. RuO₂의 스핀-전하 변환 특성이 결정 대칭성과 네엘 벡터 방향에 민감하게 의존한다는 이번 관찰 결과는 향후 상온 구동을 위한 물질 설계, 박막 배향 최적화 및 인터페이스 공학 연구의 방향성을 제시한다. 더불어 이러한 방향성·가역적 SCC는 반강자성체의 안정성과 스핀 분할 기능을 동시에 활용할 수 있는 장점을 제공하여, 저전력·고속·고집적 스핀트로닉스 소자, 특히 외부 자기장 없이 구동되는 스위칭 소자 개발의 기반 연구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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[붙임] 용어설명 |
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1.스핀트로닉스 (spintronics) 전자의 전하뿐 아니라 스핀(자기적 방향성)을 정보처리에 활용하는 기술 분야로, 낮은 전력 소모와 빠른 동작 속도가 장점이다. 스핀을 전기 신호로 변환하는 과정이 핵심이며, 본 연구는 RuO₂에서의 이러한 스핀−전하 변환 특성을 다룬다. 2.강자성체 (ferromagnet) 스핀들이 한 방향으로 정렬되기를 선호해 자발적 자화를 가지는 물질로, 전자의 스핀 방향에 따라 에너지가 달라지는 스핀 분할 밴드가 형성된다. 이러한 특성 덕분에 스핀 분극된 전류를 쉽게 만들 수 있어 스핀트로닉스 소자에서 널리 활용된다. 다만 표유 자기장이 발생해 고집적 소자에서는 간섭이 문제가 될 수 있다. 3.반강자성체 (antiferromagnet) 이웃한 스핀이 서로 반대 방향으로 정렬되기를 선호해 전체 자화가 0인 물질로, 외부 자기장에 둔감하고 스핀의 반응 속도가 매우 빠른 것이 특징이다. 다만 스핀 분극 신호가 약해 직접적인 스핀−전하 변환에는 제한이 있다. 4.교자성체 (altermagnet) 전체 자화는 0이지만 결정 대칭성에 의해 특정 방향에서 스핀 분할이 나타나는 독특한 자성체로, 반강자성체와 강자성체의 특성을 동시에 갖는다. 표유 자기장이 거의 없어 외부 간섭이 적으면서도 방향 의존적 스핀 분극을 제공해, 고집적·저전력 스핀트로닉스 소자에 유망한 새로운 물질군으로 주목받고 있다. RuO₂는 이러한 교자성 특성이 예측된 대표적 후보이다. 5.교자성 스핀 분할 효과 (altermagetic spin splitting effect) 6.네엘 벡터 (Néel vector) 반대 방향으로 배열된 스핀들의 전체적인 정렬 방향을 나타내는 벡터로, 교자성체·반강자성체에서 자성 구조의 기준 축 역할을 한다. 교자성체에서는 이 벡터의 방향에 따라 스핀 분할의 부호와 크기가 결정되므로, 스핀−전하 변환 특성을 제어하는 핵심 요소가 된다. 7.역 스핀 홀 효과 (inverse spin Hall effect) 스핀 전류가 물질 내부의 스핀-궤도 결합(전자의 스핀과 운동이 서로 영향을 주는 상호작용)에 의해 전하 전류로 변환되는 현상이다. RuO₂에서는 ISHE가 IASSE와 함께 스핀−전하 변환 신호에 기여하므로, 두 효과에 의한 영향을 분리해 상대적인 크기와 부호를 분석하는 것이 필요하다. 8.스핀-제벡 효과 (spin-Seebeck effect) 자성체 내부에 온도 구배가 형성될 때 스핀 전류가 생성되는 현상이다. 본 연구에서는 강자성체인 CoFeB을 사용하여 온도 구배에 의해 스핀 전류를 만들어내고, 이 스핀 전류가 하부 RuO₂ 층으로 주입되며 스핀−전하 변환 신호를 발생시키도록 설계하였다. 즉, CoFeB는 스핀을 생성하는 역할, RuO₂는 스핀을 전하로 변환하는 역할을 담당한다.
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[붙임] 그림설명 |
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그림설명 네엘 벡터 방향에 따라 뒤집히는 교자성 스핀–전하 변환 신호
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![[연구그림] 네엘벡터 방향에 따라 뒤집히는 교자성 스핀-전하 변환 신호](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2025/12/연구그림-네엘벡터-방향에-따라-뒤집히는-교자성-스핀-전하-변환-신호.jpg)