한미, 차세대 초고속·저전력 소자 만들 단서 찾아

한미 연구진이 배터리나 전자기기 소재로 활용되고 있는 루테늄 산화물에서 새로운 자석 성질이 나타날 수 있는 단서를 확보했다. 광주과학기술원(GIST)은 이종석 물리·광과학과 교수 연구팀이 미국 미네소타대학교와 공동연구를 통해 머리카락 두께의 약 5만분의 1에 불과한 초박막 루테늄 산화물에서 새로운 자석 성질이 나타날 수 있음을 실험적으로 규명했다고 17일 밝혔다. 루테늄 산화물은 루테늄이라는 금속과 산소가 결합해 만든 금속 산화물이다. 전기가 잘 통하고 열과 화학 반응에도 강한 성질을 가지고 있어 배터리, 전자기기, 촉매 등 다양한 첨단 기술 분야에 활용되는 소재다. 컴퓨터와 스마트폰 등 대부분의 전자기기에는 정보를 저장하고 전달하기 위해 자석 성질이 활용된다. 예를 들어 하드디스크나 일부 반도체 메모리는 자성 방향 차이를 0과 1로 구분해 데이터를 기록한다. 하지만 현재 널리 사용되는 강자성 물질은 외부 자기장이나 주변 환경에 쉽게 영향을 받아 안정성이 떨어진다. 자성 방향을 바꾸는 속도에도 한계가 있다. 이 때문에 최근엔 이같은 한계를 극복할 방안으로는 새로운 자성 상태인 교자성이 주목 받고 있다. 교자성은 원자 속 전자 스핀이 서로 다른 방향으로 규칙적으로 배열된 새로운 형태의 자성 물질이다. 전자 상태를 정밀하게 제어하는 것이 가능해 미래형 논리 소자와 메모리 소자용 재료로의 활용 가능성에 관심이 쏠린다. 다만 자성을 정밀하게 제어하는 기술이 충분히 확립되지 않아 실제 소자에 적용되기까지는 추가 연구가 필요한 상황이다. 연구팀은 전기가 잘 통하고 열과 화학 반응에도 강한 금속 물질인 루테늄 산화물에 주목했다. 이 물질을 매우 얇은 막 형태로 만들고 내부 구조에 미세한 변형을 가하면 기존에는 나타나지 않던 새로운 자성 상태가 나타날 수 있다는 점에 착안했다. 연구팀은 '하이브리드 분자빔 에피택시(hMBE)'라는 첨단 박막 제작 기술을 이용해 루테늄 산화물을 정밀하게 쌓아 올렸다. 이 기술은 진공 상태에서 물질을 매우 얇게 분사해 기판 위에 한 층씩 쌓는 방식으로, 머리카락 두께의 약 5만분의 1 수준인 나노미터 두께의 극도로 얇은 막을 결함 없이 균일하게 제작할 수 있는 정밀 공정이다. 연구팀은 이렇게 제작한 초박막(ultra-thin) 두께와 구조를 정밀하게 제어하면서 자석 성질이 어떻게 변하는지 실시간 관찰했다. 또한 물질 내부에 물리적인 힘인 '응력(strain)'을 가해 마치 신축성 있는 천을 팽팽하게 잡아당기듯 결정 구조를 미세하게 변형시켜 새로운 자성 상태가 나타나는 조건을 실험적으로 확인했다. 이를 근거로 연구팀은 응력이 가해진 초박막 루테늄 산화물에서 기존 자석과는 다른 새로운 자성 현상, 즉 교자성 특성이 나타날 수 있다는 예측을 내놨다. 특히 수 나노미터 수준의 초박막 상태에서 전기가 잘 흐르는 금속 성질을 유지하면서도 구조적으로 비대칭적인 '극성 금속(polar metal)' 특성과 교자성이 동시에 나타나는 새로운 물리 상태가 형성될 것이라고 예측했다. 연구팀은 또 실온보다 훨씬 높은 약 500K(약 227℃) 수준에서도 자석 성질이 변화하는 현상(자성 전이)이 나타나는 것을 관찰, 비교적 높은 온도에서도 자성 특성이 유지되는 것을 확인했다. 이는 실제 전자소자가 작동하는 환경에서도 활용될 가능성을 보여준다. 이종석 교수는 "이러한 특성은 향후 AI 슈퍼컴퓨터와 같은 고성능 컴퓨팅 장치에서 정보를 더 빠르고 안정적으로 처리하는 차세대 스핀 기반 전자소자 개발에 활용될 가능성이 있다"며 "에너지 효율을 높여 전력 소모를 줄이는 저전력 전자소자 기술로도 응용될 수 있을 것"으로 기대했다. 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업, 삼성미래기술육성재단, 미국 공군과학연구국(AFOSR)·에너지부(US DOE)·국립과학재단(NSF) 지원을 받았다. 연구 결과는 미국 국립과학원이 발행하는 국제학술지 'PNAS'에 온라인으로 공개됐다.