울산과학기술원(UNIST) 유정우·손창희 교수 연구팀은 2일 산화루테늄(RuO₂) 기반의 ‘교자성체’를 이용해 자기 터널 접합(MTJ) 소자를 개발하고, 이 소자에서 터널 자기저항(TMR) 반전 현상을 세계 최초로 관측했다고 밝혔다. 이 연구는 이론물리학 최고 권위지 Physical Review Letters에 6월 20일 게재됐다.
이번 성과는 AI 연산 기능이 내장된 저전력 메모리 반도체(MRAM) 개발의 실마리를 제공한 것으로, 학계와 산업계의 주목을 받고 있다.
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기존 메모리는 전자의 ‘전하’를 활용하지만, 스핀트로닉스는 전자의 ‘스핀’ 상태로 정보를 저장한다. 스핀은 물리적으로 상·하(↑↓) 방향으로 구분되는데, 이를 기반으로 정보를 읽고 쓰는 기술이 스핀트로닉스다.
이 기술은 기존 메모리 대비 △전력 소모가 적고 △비휘발성이며 △연산과 저장이 동시에 가능해 차세대 반도체로 주목받고 있다.
그러나 지금까지는 강자성체를 기반으로 해 스위칭 속도와 자기장 간섭에 취약하다는 단점이 있었다.
이에 대한 대안으로 떠오른 것이 바로 ‘교자성체(Altermagnet)’다.
교자성체는 외형적으로는 자성을 띠지 않지만, 내부 전자 구조는 강자성처럼 스핀 방향에 따라 분리돼 있다. 덕분에 △초고속 스위칭 △자기장 간섭 무시 △정교한 상태 제어가 가능하다.
연구팀, RuO₂로 TMR 실험 최초 성공
UNIST 연구팀은 대표적인 교자성체 후보 물질인 산화루테늄(RuO₂) 기반으로 자기 터널 접합 소자를 제작했다.
이 소자에서 네엘 벡터(스핀 정렬 방향)를 바꿨을 때 전자의 터널 저항값이 뚜렷하게 반전되는 현상을 확인했다.
이는 해당 소자가 실제 메모리 소자로 동작할 수 있다는 실험적 증거다. 특히 RuO₂의 TMR은 자화 방향에 따라 크기와 부호가 반전되었으며, 온도 10K에서는 약 5%의 TMR, 50K 이상에서는 감소되는 특성을 보였다.
“AI 메모리 소자 상용화 가능성 높여”
이번 연구는 미국 DARPA 모델을 참고한 고위험 도전형 지원 프로그램 ‘한계도전 R&D’의 신속 지원으로 수행됐다. 시작 1년 만에 소자 제작과 특성 검증까지 마친 성과다.
한국연구재단 김동호 책임은 “기존 R&D 체계로는 시도조차 어려운 교자성체 분야에 과감히 도전한 결과”라며 “AI 시대를 견인할 핵심 반도체 기술로 발전할 수 있도록 후속 지원을 이어가겠다”고 밝혔다.
